汽车转向拉杆球头销断裂失效分析

失效分析丨球头销-汽车转向拉杆连接部分的重要零件

背景介绍

球头销是汽车转向拉杆连接部分的一个重要零件，用于转向机构的铰接(如汽车的转向机构和悬架的铰接)，要求表面耐磨，心部能承受一定的强度和韧性。某40Cr材质的球头销在汽车道路试验运行到29000公里时发生断裂，整车的车身、底盘件无异常碰撞等受力痕迹，同批次的另外4台车正常完成道路试验。下文通过对比检测失效球头销（下文简称NG件）和正常球头销（下文简称NG件），找出其失效原因。

检测分析

1 外观检查

通过对球头销的外观形貌观察，发现失效件断口距离球心约24～25毫米，是在与节臂锥形孔大边缘配合位置附近断裂，OK件螺纹段及断口对应位置已锈蚀（如图1和图2）；发现失效件螺纹有碰伤，OK件螺纹虽有锈迹，但螺牙完整（如图1和图2）；失效件断口附近表面呈淤泥状碾压磕碰痕迹，OK件相同位置有锈蚀，但锈斑下加工纹路完整（如图3和图4）。断口与球头销轴线大致垂直，存在两个主断面（如图5），断面1用A、B、C分别标示出裂纹源区、裂纹扩展区及快速断裂区；断面2用A1、B1和C1分别标示裂纹源区、裂纹扩展区、快速断裂区。两个裂纹扩展区都有与裂纹扩展方向垂直的疲劳弧线，其中B区的疲劳弧线比B1区的疲劳弧线纹路细，间距小，较早开裂。由于断面1中的裂纹源A区产生早，磨损率高，断口发亮，放大后发现裂纹扩展沟道线起源于表面凹坑（如图6和图7）。断面2裂纹源A1区有多个裂纹源（如图8），裂纹扩展沟道更深，也起源于表面的凹坑处。

2 SEM+EDS检查

裂纹源A区表面观察到磨痕及弥散分布的白色块状磨料，凹坑内仍有洗不掉的赃污附着（如图9），放大观察发现二次裂纹沿晶开裂（如图10）。选择凹坑附近微区1～5做EDS探测分析，探测出各元素含量的具体结果编入表1中。分析探测结果，微区1、微区2和微区4含有机成分，微区3是污染轻微的40Cr钢基体成分，微区5中的块片不但含有大量的碳和氧，还有硫，及氯、钙、钠元素，硫是橡胶防尘罩的组成元素。裂纹源A区凹坑内存在橡胶磨屑，表明A区表面最早出现凹坑。

表1 EDS分析结果(Wt%)

在裂纹源A1区表面凹坑处（如图11），裂纹由表向内扩展，凹坑内没有发现在A区凹坑内发现的有机成分及橡胶磨屑，放大观察发现了韧窝聚集（如图12），韧窝圆形，没有滑移变形，材料是在表面应力高度集中，在大的拉应力条件下开裂。同时观察到疲劳条纹带（如图13），证实是疲劳断裂。快速断裂区中束状撕裂棱及螺旋型台阶是高低不同（如图14），相向扩展又不同轨的两个断面相互吸引，相互聚合的结果。

3 金相检查

分别从NG件的裂纹源A区附近及OK件对应NG件裂纹源附近取样，抛光后检查纵向剖面。金相检查结果显示，NG件表面与心部组织相同；OK件边缘组织与心部组织颜色略有差别。高倍观察NG件金相组织为回火S+少量F，根据GB/T13320评定为2.5级。分别高倍观察OK件边缘和心部金相组织均为回火S，边缘组织晶粒尺寸略小于心部组织。根据GB/T13320评定两者同为1级。NG件金相组织尺寸稍大，并存在少量铁素体，降低材料硬度和强度，降低材料表面抗碾压能力，降低材料疲劳强度。

图15 NG件断口裂纹源附近组织

图16 OK件对应NG件裂纹源附近组织

图17 OK件心部组织

4 硬度试验

在断口附近取样，检查NG件与OK件横截面硬度，结果记入表2中。结果显示，NG件表面和心部硬度一致；OK件表面硬度比心部硬度略有增加，但差别不大。OK件表面硬度平均值比NG件表面硬度平均值高54HV1，OK件表面具有更高的抗磨损抗碾压能力。OK件材料整体硬度高于NG件，OK件抗疲劳强度也更高。

表2 硬度检查结果（HV1）

5 化学成分分析

采用硫碳分析仪+ICP检查材料化学成分，分析结果见表3，与GB/T 3077对照，无论是失效件还是OK件，所有元素含量都在40CrA正常范围内。

表3 化学元素分析结果(Wt%)

分析与讨论

如图18所示，当汽车运行路况不好时，轮胎上下颠簸，节臂以球头销为支点上下往复运动，对球头销左右两个半边周期性施加拉压应力。如果球头销锁紧螺母松动，那么球头销在节臂锥形孔中容易上下穿动，甚至左右摇摆，节臂锥形大孔边缘因此周期性碾压球头销侧表面。球头销没做表面热处理，表面硬度不高，侧表面因此被碾压出淤泥状坑洼不平的表面形貌。

材料表面粗糙度与材料的疲劳强度密切相关，当球头销表面受损后，在坑洼的位置形成缺口效应，应力高度集中，当应力大于凹坑尖端扩展门槛值时，坑洼的尖锐处向内扩展出裂纹，这就是最初的疲劳裂纹形成的原因。

疲劳裂纹在周期性横向力作用下，继续扩展，形成B区裂纹扩展面。随着断面1（A、B、C）疲劳裂纹扩展，球头销有效截面积逐渐减小，应力逐渐增大，达到某一临界点，裂纹源A1区表面应力高度集中，同时出现多个裂纹源，疲劳扩展，形成断面2（A1、B1、C1）。

断面1和断面2高度不同，相向靠近，最后形成束状撕裂楞和螺旋台阶，球头销随机分离成两段。

球头销失效件金相组织中有少量铁素体，硬度低于OK件54HV1，疲劳强度也相应更低，有利于疲劳裂纹的产生和扩展。

图18 球头销工作示意图

结论

球头销在节臂锥形孔内穿动，表面受节臂锥形孔边缘碾压破损是导致球头销早期疲劳断裂的主要原因，球头销金相组织内析出铁素体，硬度降低，对疲劳断裂有促进作用。

建议

1) 装配检查；

2) 球头销增加表面热处理（如高频淬火、软氮化等），提高表面抗磨损、抗碾压能力。

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