關(guān)于汽車金屬零部件斷裂失效的質(zhì)量鑒定
2019-09-18 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(huì)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(huì)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(shí)會(huì)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(shí)的全過程,即裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展直至開裂;同時(shí)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(shí),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(dòng)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(gè)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(shí)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(shí)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(shí)間控制;低周疲勞時(shí)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(gè)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(shí),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(shí)傳動(dòng)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(dòng)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(dòng)軸(變速箱端)脫落,萬向節(jié)叉斷裂,如圖8所示;傳動(dòng)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(gè)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(dòng)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(hào)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(dòng)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(gè)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(shí)代汽車》2017年第12期