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摇臂断裂技术分析航天九院红阳厂 李艳梅 周海摘要：针对驻车手制动器摇臂在调试、跑车试验存在的断裂问题，从产品的加工工艺、结构设计等方面进行,通过计量分析与试验、软件模拟等方法总结了摇臂断裂的原因。同时针对摇臂断裂问题提出了改进措施。主题词：摇臂 显微组织 失效分析 机理分析 试验1 引言我厂先后共有6台驻车制动器总成上的摇臂在装配或跑车试验过程中出现花键齿部位断裂，见图1。该问题的出现严重影响了产品的交付。需进行摇臂断裂故障分析和讨论。图1 断裂摇臂2 故障定位2.1 原材料化学成分分析原材料共三批入厂，其化学成分分析及断裂件的化学成分分析复验情况见表1。表1 原材料化学成分分析 材料牌号复验单号炉批号分析元素（%）CSPCr40Cr XWZ0411-84548CA16820.440.0160.0170.90XWZ0403-30237CB8270.440.0250.0160.88XWZ0402-14337CB8270.410.0250.00040.92XWZ0411-84448CA16820.370.0250.0180.88X200310-25437CB8270.400.0300.0150.98断裂部位0.440.0100.0110.91标准值0.370.440.0250.0250.801.10从复查结果来看，原材料入厂复验情况正常，复验结果均合格，其化学成分符合标准要求，从而排除原材料化学成分对摇臂断裂的影响。2.2 工艺复查2.2.1设计状态摇臂产品原材料为40Cr#钢锻件，其热处理状态为：调质241HB296HB，腰形槽16H11内侧面53HRC58HRC，硬化层1.21.5，花键部分48HRC53HRC。2.2.2 工艺状态2.2.2.1 摇臂制造的工艺流程粗加工调质（调质241-296HB）精加工总检热处理（高频淬火：腰形槽内侧面高频淬火53 HRC58HRC，硬化层1.21.5；花键部分48 HRC53HRC）表（吹砂）特检（磁探）表（发兰）终检经过工艺质量复查，摇臂从零件加工到产品装配的工艺方法没有改变。工艺流程方法对摇臂断裂无影响。2.2.2.2 热处理工艺方法由摇臂的加工流程可知，加工流程中有两道热处理工序，其一为调质工序，其二为局部热处理工序。经过工艺复查，调质的热处理工艺参数准确，性能符合要求。经复查，对摇臂花键齿内外圈局部淬火的加热方式均采用外感应圈进行感应加热，只是回火参数根据材料及局部热处理硬度要求的更改作了相应的变动。经分析，由于摇臂花键部位壁厚较小（最小处厚度为5mm），该淬火加热方式将导致该部位淬火后其截面将淬透。由于设计局部热处理硬度要求为48HRC53HRC，脆性增加，大大增加了产品在该部位的断裂倾向，其影响需要进一步通过失效分析和试验进行验证。2.2.3 符合性通过对材料为40Cr摇臂的无损检测质量复查，复查结果见表2。 从复查结果看，摇臂均进行了磁粉探伤检测，对存在裂纹缺陷的零件进行了有效的剔除，花键根部无微裂纹存在，产品质量合格，从而排除零件初始裂纹引起的断裂。表 2 摇臂无损检测记录表 序号12345678910探伤编号MT-627MT-630MT-11MT-193-1MT-193-2MT-193-3MT-193-4MT-465MT-466MT-662炉批号37CB827数量2221923225147合格数0221923225147不合格数2000000000序号11121314151617181920探伤编号MT-663MT-664MT-818MT-819MT-536MT-46MT-141MT-142MT-143MT-182炉批号37CB82748CA1682数量16371316121930341合格数16261216101930341不合格数011102000002.4断口分析我厂该产品进行金相分析，内容包括观察金相组织、化学成份、硬度检测等。从已断裂摇臂上截取试样后用4%HNO3酒精溶液腐蚀观察，发现材料组织为马氏体组织，且在整个横截面均为相同组织（图2、3、4），在零件齿根未发现存在微裂纹（图5），在金相试样磨面上测定显微硬度，发现整个横截面硬度均匀，硬度值为602628HV1.0，同时对断裂部位上下表面及中间部位测定洛氏硬度，其硬度值均为50HRC。图 2 断裂横截面边部组织 100 图 3 断裂横截面心部组织 100 图 4 断裂横截面内边缘组织 100 图 5 横截面显微硬度图 6 横截面显微硬度分布曲线通过以上分析认为手制动器摇臂断裂原因为零件在高频淬火热处理时使零件整个截面淬透，硬化层深度大大超过了设计规定，使整个零件在腰形槽及花键部位整体硬度较高，同时由于高频淬火后不再进行回火处理，也更加使零件脆性加大，高硬度导致产生了较大的脆性，当零件在服役过程中承受较高冲击载荷时由于脆性较大而沿着零件应力集中区域发生断裂失效。一般来说需要高频淬火处理的零件必须通过前面的调质处理使零件心部组织达到强韧结合，而且零件表面经高频淬火后硬化层深度不宜过深，这样即保证了较高的耐磨性，同时也保证了优良的韧性，以获得较好的强韧结合性能。2.5 静载试验选取与失效摇臂同炉批号的在制品3件，其中1件进行调质处理后不再进行高频淬火，另2件按正常工艺加工完成。设计专门工装，在30吨液压试验机上模拟摇臂服役状态，施加静载荷至破坏，试验结果详见下表4。表4 摇臂静压试验情况产品名称产品批号试件号试验状态试验过程压力（kN）试验现象摇臂37CB8271#调质18摇臂完好，但与之配合的凸轮轴齿形扭曲，齿跟处产生裂纹2#高频淬火6摇臂完好10摇臂完好3#高频淬火6摇臂完好10摇臂完好15.7听到试验件发出一声响，但试验件均完好16听到试验件发出一声响，紧固螺栓螺纹损坏（脱扣），摇臂完好20.2摇臂完好，但与之配合的凸轮轴齿形扭曲，齿跟处产生裂纹 从3组热处理状态摇臂静载荷试验情况来看，其断裂不是由于该产品的强度引起的。2.6 冲击试验验证 根据查故及验证方案、摇臂整体冲击性能试验大纲和相关的国标、军标，选4种状态的摇臂材料（高频淬火、调质和高频淬火后调质）制成32件标准试样，进行标准试样拉伸试验、冲击试验、金相分析、理化分析；制成6种状态的摇臂10件产品，进行了静压试验、冲击试验。以便对不同热处理状态下的新旧产品结构进行对比冲击试验，得出优化的方案。2.6.1 试样冲击的对比试验为了对比摇臂原材料在不同热处理状况下的力学性能差异，特制作了三组不同热处理状态的试样，每组试验项目包括拉伸、硬度、冲击、高倍4类。试样冲击试验结果见表5。表5 试样冲击试验记录表 试验项目试样状态抗拉强度b Mpa屈服强度0.2 MPa伸长率5%断面收缩率%冲击韧性AKJ硬度HRC高倍组织高频淬火（48HRC53HRC）1880.21760.110.9/32.551.0回火马氏体1900.31786.39.8/30.051.01920.81896.310.1/35.050.0淬火+回火（36HRC39 HRC）1126.71010.611.045.138.036.5索氏体1142.91022.612.646.139.037.01057.9926.912.548.544.038.0淬火+回火（24HRC28 HRC）879.8734.219.364.5146.026.5索氏体878.0723.219.764.5142.527.0840.2696.117.563.5119.027.0淬火+回火（28HRC35 HRC）106494614577734.0索氏体1058953165877.533.5109398815557634.5试样冲击试验结果表明随着材料热处理后硬度的增加，材料塑性急剧降低、脆性增加，同时冲击韧性也急剧下降。由此可见，热处理状态的变化，对40Cr材料冲击韧性的影响非常大。24HRC28 HRC调质状态的摇臂其冲击韧性比高频淬火状态冲击韧性提高了3.54.5倍；28HRC35 HRC调质状态的摇臂其冲击韧性比高频淬火状态冲击韧性提高了2倍多； 36HRC39 HRC调质状态的摇臂其冲击韧性相对高频淬火状态的冲击韧性提高了近20，进一步说明了热处理状态对摇臂断裂的冲击韧性有着很大的影响。2.7 结论摇臂设计要求其内花键端高频淬火，其意图是实现表面淬火，但由于高频淬火工艺手段和摇臂结构尺寸的限制，高频淬火时导致花键部位整体淬透，致使摇臂零件存在高频淬火的硬度过高、脆性大、韧性差。在受到其设计状态无法承受的过载冲击时发生脆性断裂是该摇臂断裂的主要原因。在实际工序实现过程中，由于高频淬火工艺手段和花键部分尺寸的限制，无法实现对内花键部分的表面进行高频淬火，而是将整个内花键部分进行了高频淬火，整个内花键部分整体硬度高、脆性高、耐冲击性差，导致摇臂内花键部分冲击过载而发生断裂。3机理分析3.1 受力分析与有限元计算摇臂工作过程中的受力状况如下：摇臂承担手制动器工作过程中的连接与传动件，工作时，摇臂在气室活塞的带动下，推动凸轮轴转动；另一方面，在回位弹簧的作用下，两蹄回位，压靠凸轮轴，迫使它反转，摇臂同时受到气室的牵引。由此可见，摇臂在工作时始终处于受力状态。针对新旧摇臂结构特点，在相同的工况下，分别对产品结构的原状态（50）及新状态（55）进行了应力集中区分析（图7、图8、图9），从图中可以看出，花键与臂身相连接部位应力较大，臂身应力分布较小，新状态的产品结构应力集中较前者有大幅度减小，说明产品的应力集中区分布与产品结构有密切关系。3.1.1 原摇臂计算结果 各云图中右边色谱数值含义为：基数10的次方数；例：1.24-001为1.2410-1。应力云图中应力单位换算为：1(GPa)=103 (MPa)。图7 工况一摇臂应力分布云图(单位：GPa) 图8 工况二摇臂应力分布云图(单位：GPa) 表6最大应力（MPa）工况一427工况二513工况三554图5前支架销轴应力(单位：) 图9 工况三摇臂应力分布云图(单位：GPa)结果分析：摇臂（580-3507014）所用的材料为40Cr-GB/T3077-1999,其屈服极限 S为785MPa，疲劳系数取1.4，可得：许用应力=785/1.4=560MPa。计算值比许用应力值弱小。31.2新摇臂计算结果 图9约束轴，载荷：5000N+10000N应力图（单位：GPa） 图10 约束轴，载荷：7500N+10000N应力图（单位：GPa）表7最大应力（MPa）工况一264工况二380结果分析：新摇臂所用的材料为40Cr-GB/T3077-1999,其屈服极限S为785MPa，疲劳系数取1.4，可得：许用应力=785/1.4=560MPa。计算值均小于许用应力值。 结论：旧结构的最大应力计算值比许用值略小，说明结构上存在安全隐患。新旧结构在相同工况作用下，最大应力峰值新结构相对于旧结构减小了50。从新旧摇臂结构的应力集中对比分析可以看出：新结构的摇臂其应力集中区域和应力峰值有大幅度的改善。32 断裂原理 理论上讲，断裂可按断裂前的塑性变形（如以断面收缩率为5为界限）或按断裂过程中所吸收到能量大小分为韧性断裂和脆性断裂。这两种断裂又都可按宏观断口与最大正应力（或最大正应变）垂直或与最大切应力一致而分为正断和切断两种方式。线弹性条件下的韧性断裂与裂纹体紧密相关，在裂纹体处于临界失稳扩展状态时，给出材料的断裂判据和指标。由于韧性断裂与裂纹相关，而裂纹一般分为初始裂纹、结构在承受交变载荷下萌生的裂纹两大类；韧性断裂一般是由于初始裂纹、疲劳、强度等因素引起的。结构在承受载荷时如存在应力集中点，裂纹产生的部位首先是由应力集中区域开始的。脆性断裂一般是由于产品结构本身的硬度过高、脆性大、冲击载荷等造成的，与热处理状况和冲击载荷相关。对于摇臂在工作过程中的受力分析可知，摇臂要承受气室弹簧等冲击载荷（经测试其冲击功J500J）的作用。由于摇臂花键部位本身的硬脆性较大，工作中承受着较大冲击载荷作用，且结构上存在应力集中点。因此从断裂原理上来看，摇臂断裂首先是由硬脆性断裂造成的。33 结论摇臂结构作为受力部件，存在应力集中点，而应力集中点的存在，在零件承受较大冲击载荷的情况下，由于应力集中得不到有效释放，进一步加剧了摇臂的冲击脆性断裂，使该产品安全性存在很大的隐患。通过上面的综合分析及试验，摇臂断裂原因归纳为零件结构存在热处理硬度脆性过高、存在应力集中点、热处理工艺方法的局限无法实现产品设计要求等综合不利因素是导致摇臂断裂的主要因素。4故障复现试验 摇臂在使用过程中受气室重复冲击载荷，该机械能来自于气室弹簧所获得的弹性势能，在试验前测定了气室压缩弹簧所获得的弹性势能为490500焦耳。在试验中将该能量等量转化为重力势能，再以重物的自由落体运动撞击摇臂实现模拟试验，试验时将产品固定后用吊锤（重量为61.5Kg）作自由落体运动对其进行冲击。产品冲击时分别采用了3种结构共6种状态，产品状态及冲击结果详见表8：表8 产品冲击试验记录表 产品编号结构状态热处理状态数量冲击次数冲击能量（J）摇臂被冲击结果155结构处理调质241HB296HB11500.2完好2506.3完好3518.3完好250结构处理调质241HB296HB11533.4完好2506.3完好3518.3完好350结构处理调质241HB296HB，花键部分35HRC42HRC11500.2完好,螺栓失效2500.2完好3542.4完好，螺栓失效450原结构调质241HB296HB，花键部