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【失效分析】汽车摆臂球头断裂

03月,08,2025 | 浏览次数：736


        一、测试背景

       汽车前下摆臂球头总成在路试车上断裂，路试工况较恶劣，断裂路段为鹅卵石路，断裂公里数约6000公里。针对这种失效情况，客户送检断裂摆臂球头样品

进行测试分析，以期找出失效原因。

       摆臂球头规定材质为SCM435，热处理工艺为淬火（冷却油）+回火。断裂位于球头最窄位置附近，用于穿过螺栓，具体图片如图1所示。

图1-断裂摆臂球头图片       

        二、测试方案

分析流程 测试项目 测试设备
断口表面形貌观察
 宏观形貌观察 3D显微镜
表面粗糙度 3D光学轮廓仪
微观形貌观察 扫描电子显微镜（SEM）
截面观察
 抛光态形貌观察 金相显微镜
腐蚀态形貌观察
材质分析 化学成分测试 火花原子光谱仪
硬度分析 硬度测试 维氏硬度计
结果 结果分析 /


       三、测试结果

       3.1宏观形貌观察：

      球头侧面存在一定腐蚀，圆弧位置可看到明显的机加工刀纹，粗糙度结果见下页；断裂位置靠近圆弧最窄处，可观察到对称两个裂纹源和扩展区；扩展区面积差异较大，说明球头受力不均，面积大的一侧为主裂纹源，小的一侧为次裂纹源，下面主要针对主裂纹源分析；裂纹源附近侧面有明显的刀纹&缺损，扩展区可观察到贝壳纹，是典型的疲劳断裂。具体宏观形貌见图2。

图2-摆臂球头断口宏观形貌图

        3.2 表面粗糙度：

       根据图纸要求，球头表面粗糙度管控为Ra1.6。实际测试结果显示，侧面位置（A位置）面粗糙度为0.85μm，圆弧位置（B位置）面粗糙度为1.30μm，均符合图纸设计。但考虑到装夹异常，圆弧位置有可能产生应力集中，进而成为薄弱环节，建议适当管控。具体结果见图3。

图3-摆臂球头表面粗糙度结果图

       3.3 微观形貌观察：

       裂纹源位置存在明显的刀纹&缺损，表面存在一定氧化，成分无明显异常；扩展区断裂时磨损严重，可见少量疲劳辉纹；瞬断区可见韧窝，为韧性断裂。具体形貌见图4，成分结果见表1。

图4-摆臂球头断口微观形貌图


表1-摆臂球头裂纹源成分结果表(Unit：wt%)

裂纹源 C O Cr Mn Fe Total
1 25.13 2.49 1.20 1.97 69.21 100.00
2 28.49 16.80 3.10 0.95 50.66 100.00
3 9.55 4.92 1.22 0.47 83.84 100.00
4 2.76 8.92 1.14 1.26 85.91 100.00


       3.4 抛光态&腐蚀态形貌观察：

       球头截面宏观金相显示，材料均匀性较佳；球头芯部抛光态显示，材料无明显气孔与异常夹杂；表面与芯部组织均为保持马氏体位相的回火索氏体，表面无脱碳等异常。具体形貌见图5。

图5-抛光态&腐蚀态形貌图

       3.5 化学成分测试：

       参照JISG4053-2016，摆臂球头材料符合SCM435成分标准。具体成分结果见表2。

表2-摆臂球头成分结果表(Unit:wt%)

样品 C Si Mn P S Ni Cr Mo Fe
摆臂球头 0.373 0.200 0.835 0.018 0.009 0.019 1.06 0.170 余量

SCM435(JIS

G-4053-2016)

0.33-0.38 0.15-0.35 0.60-0.90 ≤0.030 ≤0.030
 ≤0.25
 0.90-1.20 0.15-0.30 余量


       3.6 硬度测试：

       摆臂球头表面和芯部硬度无明显差异。测试结果见表3。

表3-摆臂球头硬度结果表

材料硬度 表面 芯部
维氏硬度HV0.3 290 292

       四、结论
       汽车前下摆臂球头总成理想装配时，易断裂位置位于根部，但实际断裂位置位于球头圆弧底部。断面扩展区面积差异较大，故推测球头与固定侧装配不良（如上部装配紧，下部装配松），致使圆弧位置额外受力且受力不均，在外表面刀纹&缺损处引起应力集中产生裂纹，在交变应力作用下导致疲劳断裂。
       五、改善建议
       提高球头表面质量，改善装配工艺，避免装配不良产生的断裂异常。


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