王崢　柴智勇　張?jiān)?br>（中國汽車技術(shù)研究中心，天津市　300000）

　　摘　要：斷裂失效是汽車金屬零部件失效中見也是危害的一種形式，其一旦發(fā)生，將會引起重大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。本文分別概述了疲勞斷裂、韌性斷裂和脆性斷裂，通過實(shí)際案例，對汽車金屬零部件斷裂失效進(jìn)行質(zhì)量鑒定，研究金屬零部件斷裂失效的特征與規(guī)律，找到斷裂原因，分清事故責(zé)任，為有關(guān)部門提供行政的理論依據(jù)。

　　關(guān)鍵詞：斷裂失效；質(zhì)量鑒定；汽車金屬零部件

　　1　引言
　　近幾年來，在汽車產(chǎn)品質(zhì)量鑒定案件中，汽車金屬零部件斷裂失效占有較大比例，因?yàn)榱悴考嗔咽墙饘偈е形：Φ囊环N形式，其一旦發(fā)生，將會引起經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡等嚴(yán)重后果。所以對汽車金屬零部件斷裂失效進(jìn)行質(zhì)量鑒定，研究金屬零部件斷裂失效的特征與規(guī)律，找到斷裂原因，分清事故責(zé)任，為有關(guān)部門提供行政的理論依據(jù)。
　　汽車金屬零部件在斷裂失效時會形成一對相互匹配的斷裂表面，即斷口，斷口總是發(fā)生在金屬組織中弱的地方，并忠實(shí)地記錄金屬斷裂時的全過程，即裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展直至開裂；同時也記錄著裂紋擴(kuò)展的途徑、擴(kuò)展過程及內(nèi)外因素對裂紋擴(kuò)展的影響。因此，在進(jìn)行零部件斷裂失效分析時，斷口即作為切入點(diǎn)，形貌特征分析，材料組織和性能檢測，判斷零件的受力狀態(tài)以及使用環(huán)境條件（溫度、介質(zhì)等）等，揭示斷裂失效的特征與規(guī)律，找到斷裂原因，提出科學(xué)、公正的司法鑒定意見。其中，斷裂失效形式按照不同的分類方法，可分為很多種，其中按斷裂性質(zhì)分類，可分為韌性斷裂、脆性斷裂和疲勞斷裂。
　　2　疲勞斷裂失效
　　2.1概述
　　疲勞斷裂是汽車零部件中見的失效方式之一，它是汽車金屬零部件在交變應(yīng)力作用下，經(jīng)過周而復(fù)始的運(yùn)動發(fā)生的斷裂現(xiàn)象。一般疲勞斷裂的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度σ0.2，斷裂前無明顯的塑性變形，是一種低應(yīng)力脆斷破壞現(xiàn)象。疲勞斷裂是損傷累積過程的結(jié)果，包括裂紋萌生、擴(kuò)展和失穩(wěn)斷裂三個階段，不同階段損傷方式和損傷量不同，其與材料特性、尺寸形狀、服役條件環(huán)境等有密切的關(guān)系。
　　根據(jù)汽車金屬零部件破壞時總的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)或稱疲勞壽命來分類，可分為高周疲勞和低周疲勞斷裂失效。高周疲勞時應(yīng)力在屈服強(qiáng)度以下，零件的壽命主要由裂紋的形核時間控制；低周疲勞時應(yīng)力可高于屈服強(qiáng)度，其零件的壽命受裂紋擴(kuò)展速度的影響較大。70%-80%的汽車金屬零部件為低應(yīng)力高周疲勞斷裂。
　　2.2實(shí)際案例
　　某緊固螺栓發(fā)生斷裂失效，如圖1所示，宏觀下觀察即可看到明顯的貝殼花樣，即疲勞弧線，將該螺栓置于掃描電子顯微鏡下進(jìn)行微觀觀察，可見清晰的微觀疲勞條紋，屬于典型的疲勞斷裂。該斷裂起始于螺紋根部表面、次表面小區(qū)域，為為穿晶疲勞多源裂紋；擴(kuò)展區(qū)為疲勞紋和韌窩相間交替的混合斷口，表示裂紋前沿在間歇擴(kuò)展；瞬斷區(qū)的斷口為為韌窩斷口形態(tài)，如圖2-4所示。綜上，可判斷螺栓斷裂屬于低載荷下高應(yīng)力集中的軸向拉伸疲勞斷裂。

　　該螺栓螺紋處存在微細(xì)小裂紋構(gòu)成了應(yīng)力集中，形成裂紋源，螺栓繼續(xù)受交變循環(huán)應(yīng)力作用，裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展致斷裂，非由于事故造成的斷裂。

　　3　韌性斷裂失效
　　3.1概述
　　韌性斷裂一般是在汽車金屬零部件過載斷裂前，在斷裂部位出現(xiàn)的明顯塑性變形，即零件危險(xiǎn)截面處所承受的實(shí)際應(yīng)力超過了材料的屈服強(qiáng)度發(fā)生的斷裂（延性斷裂或塑性斷裂）。
　　由于金屬零部件發(fā)生韌性斷裂的微觀特征是韌窩形貌，它是材料在微區(qū)范圍內(nèi)塑性變形產(chǎn)生的顯微空洞，經(jīng)形核、長大、聚集，最后相互連接導(dǎo)致斷裂后在斷口表面留下的痕跡。韌性斷裂的斷口附近有明顯宏觀塑性變形；斷口外形呈杯錐狀銑刀斷口，杯底垂直于主應(yīng)力，錐面平行于切應(yīng)力，與主應(yīng)力成45°角；斷口表面呈纖維狀，其顏色呈暗灰色。
　　3.2實(shí)際案例
　　某品牌SUV在沒有中間隔離帶的城市公路上行駛，突然左轉(zhuǎn)，與對向行駛的某轎車相撞，造成2人死亡，2人重傷的交通事故。事后發(fā)現(xiàn)該SUV的左前轉(zhuǎn)向節(jié)下控制臂球節(jié)支座發(fā)生斷裂，為此河北省某委托車輛鑒定中心對金屬零部件斷裂原因進(jìn)行司法鑒定，以還原事故真相，分清事故責(zé)任。

　　將被鑒車輛左前轉(zhuǎn)向節(jié)下控制臂球節(jié)支座拆卸，如圖5所示，可見連接螺栓部位斷裂缺失，斷口處有沿車輛向后方向的塑性變形，并有裂紋，斷口表面有銹蝕。將支座斷口試樣置于掃描電鏡下進(jìn)行微觀檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。通過觀察發(fā)現(xiàn)支座斷口微觀形貌均為韌窩形貌，無冶金缺陷，因此該斷裂為韌性斷裂。
　　對支座試樣進(jìn)行硬度檢驗(yàn)，結(jié)果為布氏硬度193。取支座試樣進(jìn)行金相組織檢驗(yàn)，可以看出球墨鑄鐵石墨球化級別為1級，且球化良好、均勻，內(nèi)部組織為鐵素體+珠光體組織，主要基體組織為鐵素體，各個區(qū)域組織均勻，如圖7所示，支座硬度性能和金相組織均符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求，因此認(rèn)定該支座不存在質(zhì)量問題。綜上，該SUV左前轉(zhuǎn)向節(jié)下控制臂球節(jié)支座斷裂原因是：左前轉(zhuǎn)向節(jié)下控制臂球節(jié)支座受到沿車輛向后的外力作用，致使該支座發(fā)生塑性變形，并有裂紋，最終導(dǎo)致斷裂。

　　4　脆性斷裂失效
　　4.1概述
　　脆性斷裂是金屬零部件未發(fā)生宏觀塑性變形，其斷裂應(yīng)力低于材料的屈服強(qiáng)度，故又稱作低應(yīng)力斷裂。由于脆性斷裂的擴(kuò)展速率，斷裂過程在瞬間完成，因此脆性斷裂大都突然發(fā)生，沒有事先預(yù)兆，對人身及車輛安全造成極其嚴(yán)重的后果，所以脆性斷裂是人們力圖予以避免的一種斷裂失效形式。
　　脆性斷裂可分為沿晶脆斷與穿晶脆斷（解理斷裂）。沿晶斷裂又稱晶間斷裂，即多晶體沿不同取向的晶粒所形成的沿晶粒界面分離。在通常情況下，金屬晶界的鍵合力高于晶內(nèi)，斷裂擴(kuò)展的路徑是穿晶斷裂，而非沿晶斷裂，但如果熱加工工藝不當(dāng)，造成雜質(zhì)元素在晶界富集或沿晶界析出脆性第二相等因素出現(xiàn)時，晶界的鍵合力被嚴(yán)重削弱，在低于正常斷裂應(yīng)力情況下，被弱化的晶界成為斷裂擴(kuò)展的優(yōu)先通道而發(fā)生沿晶斷裂。因此，在零部件中發(fā)生的沿晶斷裂均屬非正常斷裂情況。
　　4.2實(shí)際案例
　　某SUV進(jìn)口車在高速公路行駛時傳動軸突然斷裂、脫落，隨后又追尾了一輛小轎車和一輛微型面包車，造成了兩人受傷，車輛受損的交通事故。該車主認(rèn)為車輛在行駛中沒有任何誤操作，系該車存在產(chǎn)品質(zhì)量問題造成此次事故，其汽車生產(chǎn)廠家與銷售商應(yīng)承擔(dān)相應(yīng)責(zé)任，因此訴至向生產(chǎn)廠家和銷售商提出索賠。遼寧省某委托車輛鑒定中心對該車傳動軸斷裂原因進(jìn)行鑒定，鑒定該事故是否是車輛質(zhì)量問題導(dǎo)致，以查清事故原因，分清事故責(zé)任。
　　該車輛前傳動軸（變速箱端）脫落，萬向節(jié)叉斷裂，如圖8所示；傳動軸A側(cè)萬向節(jié)叉斷裂，不完整，有明顯塑性變形，與之相連的十字軸、十字軸套筒及滾針等均已缺失；B側(cè)十字軸套筒有破損開裂，內(nèi)部滾針脫落，將B側(cè)聯(lián)接處萬向節(jié)叉拆卸，如圖9所示，十字軸套筒斷裂，斷口周圍無塑性變形。取B側(cè)斷裂的十字軸套筒斷口試樣置于掃描電鏡下進(jìn)行斷口微觀形貌檢驗(yàn)，其套筒截面斷口為典型的沿晶與穿晶解理混合斷口，以沿晶斷口為主，斷口表面有二次裂紋，可見“雞爪痕”，如圖10-11所示。

　　取B側(cè)十字軸套筒試樣進(jìn)行金相組織檢驗(yàn)，十字軸套筒表層組織為馬氏體，心部為鐵素體+貝氏體，各個區(qū)域組織均勻，表層裂紋顯示出明顯的沿晶擴(kuò)展特征，如圖12-15。

　　對其能譜分析顯示套筒材料表層碳含量明顯高于心部，未添加合金元素，可推斷套筒經(jīng)過滲碳表面處理，為碳素鋼。對其顯微維氏硬度檢驗(yàn)，其由表面到心部硬度逐漸降低，表面層硬化明顯。
　　綜上所述，該車輛前傳動軸B側(cè)十字軸套筒的斷裂是沿晶斷裂，其組織、性能均無異常。由于該十字軸套筒材料材質(zhì)、牌號及加工工藝委托人均未能提供，所以對十字軸套筒沿晶斷裂進(jìn)行分析，有可能為氫致延遲斷裂，而氫應(yīng)為套筒生產(chǎn)（冶煉、酸洗、滲碳、電鍍等）環(huán)節(jié)引入。最終意見：該車輛由于質(zhì)量問題導(dǎo)致其前傳動軸在車輛正常行駛過程中發(fā)生斷裂、脫落。

　　5　結(jié)語
　　隨著我國汽車保有量的增加，汽車安全問題更為突出，在汽車交通事故和質(zhì)量事故中涉及金屬零部件斷裂失效案件有很多，其危害很大，所以需要司法鑒定人員深入細(xì)微觀察，科學(xué)綜合分析，得出科學(xué)質(zhì)量鑒定意見，作為鑒定事故責(zé)任、實(shí)施技術(shù)保險(xiǎn)業(yè)務(wù)、偵破的依據(jù)，這對于維護(hù)司法公正具有十分重要的意義。而對于車輛生產(chǎn)廠，汽車金屬零部件斷裂失效的質(zhì)量鑒定可為設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用或維修的各個環(huán)節(jié)提供理論依據(jù)，能夠采取有效的改進(jìn)與預(yù)防措施，防止同類事故再次出現(xiàn)，對于提升汽車產(chǎn)品質(zhì)量和使用安全性都有著積極的促進(jìn)作用。

來源：《時代汽車》2017年第12期