排气管挂钩失效探析范文

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《宝钢技术》2016年第3期

摘要:

通过金相显微镜、扫描电镜和能谱等手段分析了某汽车排气管用挂钩疲劳断裂失效的原因。结果表明，排气管挂钩断裂位于焊接接头附近，腐蚀疲劳起源于挂钩表面的点蚀坑，点蚀由氯离子和吸氧腐蚀共同作用引起。排气管挂钩在使用过程中承受着交变应力的作用，裂纹由点蚀坑逐渐扩展直至穿透管壁。焊缝附近的断口处发现明显的疲劳辉纹、疲劳台阶、二次裂纹、晶间腐蚀以及一些腐蚀产物等，远离焊缝处只有典型的疲劳辉纹和光亮磨痕，整个疲劳断裂过程由腐蚀疲劳向机械疲劳逐渐转变，直至断裂。

关键词:

腐蚀疲劳;疲劳失效;铁素体不锈钢;排气管挂钩

铁素体不锈钢是一种经济型不锈钢，具有良好的抗氧化性和耐腐蚀性，可以作为汽车排气管挂钩用钢。挂钩一方面要承受排气管的振动，另一方面要受排气管温度的影响和北方道路含有大量氯离子的雪盐的影响。材料的腐蚀疲劳是指材料在腐蚀介质和疲劳载荷共同作用下的损伤破坏行为，其影响因素包括环境因素、冶金因素和力学等多方面。金属材料在这种交变载荷和腐蚀环境共同作用下抗疲劳断裂能力明显下降，具有较大的危害［1－2］。李志义等［3］按照材料发生腐蚀疲劳的破坏机理不同，将腐蚀疲劳分为活化状态下的腐蚀疲劳和钝化状态下的腐蚀疲劳，钝化状态下的腐蚀疲劳又可分为纯钝化状态下的腐蚀疲劳和叠加了其他腐蚀现象的腐蚀疲劳，不锈钢是典型的钝化状态下材料。本文通过金相、扫描电镜等对某车的排气管挂钩断口和腐蚀产物进行分析，以探究不锈钢在此条件下的失效机理。

1材料及分析方法

失效部件取自某路试的车辆，路试没有满足3年的设计要求。按照GB/T11170—2008，通过SPECTROM9型直读光谱对排气管挂钩进行化学成分测定，分析结果见表1，此材料为SUH409L铁素体不锈钢。排气管挂钩断裂位置位于挂钩的管与管的焊接处，如图1所示。在扫描电镜下首先对失效件的表面腐蚀产物进行能谱分析;然后在超声波中清洗试样断口后再次观察断口形貌;最后，将断口磨平、抛光、侵蚀，在Lecia金相显微镜下对断口部位的显微组织进行观察。

2试验结果

2．1宏观形貌分析

在图2中可以看出断口表面氧化程度不同，靠近焊缝处A处氧化最严重，颜色最暗;B、C处氧化次之;焊缝对侧的E处为金属色泽，有少量的氧化;另外在断口D处可以发现有一定的光亮磨痕。

2．2疲劳裂纹源分析

2．2．1断口及能谱分析

对图2中的A附近断口观察，在电镜下放大11倍时可以看出在焊缝处有明显的裂纹，并且已经穿透了管壁。将此处放大可以看到裸露在外的晶粒，晶粒的尺寸约为30μm(图3)，裸露的晶粒上还有一层附着物，通过能谱分析(图4)，可以看到腐蚀产物中有氯离子和氧化物的存在。

2．2．2显微组织分析

将断口面磨平，从金相中可以看出焊缝附近有a～d等4处点蚀坑和穿透管壁的裂纹，其中已经有裂纹从c处逐渐扩展，如图5所示。母材的晶粒为7级，处于正常水平，焊缝处最大晶粒可达200μm，如图6所示。

2．3疲劳裂纹稳态扩展区分析

图2中的B、C、D处断口发现大量的疲劳辉纹和疲劳台阶，并伴有氧化和二次裂纹，越靠近焊缝接头处，氧化越严重，此形貌为典型的腐蚀疲劳形貌(图7)。从B、C、D三处疲劳辉纹的法线方向可以看出疲劳源位于焊缝接头附近的A处，然后逐渐扩展到B、C、D处，最终扩展到E处;同时D处部分辉纹已经被磨平，是由于其在循环应力作用下，反复的张开和闭合使断口上下表面不断地进行摩擦，最终形成了断口上较为平坦光滑的区域［4］。在裂纹稳态扩展区，疲劳断裂机制已由腐蚀疲劳向机械疲劳逐渐转变。

2．4疲劳裂纹高速扩展区分析

图2中的E处在扫描电镜下可以看出大量的光亮磨痕，并且此处的疲劳辉纹相对较浅，如图8所示，此处为断裂后期，仍为韧性断裂。

3分析与讨论

3．1疲劳裂纹起源和扩展

疲劳弧线是由于载荷谱变化而在断裂面上留下的裂纹扩展瞬时前沿线，它的法线方向即为该点的疲劳裂纹扩展方向［5］。根据疲劳辉纹的法线方向，可以判断裂纹起源于焊缝接头附近的A处，此处有一定数量的点蚀坑和裸露的晶粒，并且疲劳裂纹表面覆盖有大量的氧化物。在疲劳扩展稳态区可见大量的疲劳辉纹，并有大量的二次裂纹、少量的氧化和磨痕。在高扩展速率区，疲劳辉纹比较浅，并有大量的磨痕，没有出现脆断的断口形貌。可见，随着疲劳裂纹的不断扩展，断裂机制逐渐由腐蚀疲劳向机械疲劳转变。

3．2疲劳裂纹源的机理探究

在焊缝热影响区发现了a、b、c、d四处点蚀坑，见图5。焊缝热影响区较基体和焊缝位置的硬度低，在循环载荷的作用下，此处局部滑移造成表面钝化膜损坏和化学性不均匀。在腐蚀环境中，尤其是氯离子等腐蚀介质的存在，往往会促进点蚀坑在金属表面的电位不均匀部位形成，引发点腐蚀;加上排气管温度的作用，加速了腐蚀和氧化的进行，加剧了腐蚀疲劳过程中载荷交互作用的复杂化［6－9］。关于点蚀对裂纹形成的影响，周向阳等［10］认为不锈钢点蚀萌生后快速扩展，当应力集中达到一定值时在腐蚀支持下沿晶开裂，形成裂纹扩展。李志义等［3］认为点蚀坑在腐蚀环境与疲劳载荷交互作用下不断演化，小孔根部产生应力集中，在不需要很大的循环载荷、不长的时间内，就会形成穿透性裂纹。

4结论

(1)排气管挂钩整个疲劳断裂过程是由腐蚀疲劳逐渐向机械疲劳过渡，在焊接接头附近产生腐蚀疲劳，有晶间腐蚀和大量的氧化、疲劳辉纹和二次裂纹等;疲劳断裂阶段的断口形貌主要有大量的疲劳辉纹和光亮磨痕。

(2)疲劳裂纹起源于焊接的热影响区，由于热影响区硬度低产生的局部塑性变形和高温、氯离子等条件的影响，点蚀坑形成并最终由于应力集中达到临界状态转化为腐蚀疲劳，腐蚀疲劳不断扩展，断裂机制逐渐由腐蚀疲劳向机械疲劳转变并最终导致金属断裂。

(3)初步判断，SUH409L强度较低，耐蚀性较差，不足以满足疲劳设计的要求，建议排气管挂钩采用耐蚀性及疲劳强度较好的SUS304，1．4003不锈钢等材料。

参考文献：

［1］张正贵，周兆元，刘长勇．高强度铝合金构件腐蚀疲劳失效分析［J］．中国腐蚀与防护学报，2008，28(1):48－52．

［2］潘明阳，严立，张会，等．16Mn钢在海水中腐蚀疲劳断口形貌分析［J］．大连海事大学学报，1998，24(4):79－82．

［3］李志义，丁信伟．金属材料的腐蚀疲劳［J］．化工机械，1995，22(4):239－248．

［4］赵光菊，钟蜀晖，邓建华．TA6V钛合金疲劳断口形貌及断口分析［J］．贵州工业大学学报(自然科学版)，2007，36(6):25－28．

［5］朱洪武，刘雅政，周乐育，等．22Si2MnCrNi2MoA钎杆断裂失效分析［J］．北京科技大学学报，2013，35(5):613－619．

［6］黄小光，许金泉．点蚀演化及腐蚀疲劳裂纹形核的能量原理［J］．固体力学学报，2013，34(1):7－12．

［7］柯伟，李劲．腐蚀疲劳过程中载荷间交互作用的研究［J］．腐蚀科学与防护技术，1999，11(2):112－117．

［10］周向阳，柯伟．点蚀坑的形貌与腐蚀疲劳裂纹萌生［J］．金属学报，1992，28(8):357－360．

作者:刘春粟 毕洪运 单位:宝山钢铁股份有限公司研究院 汽车用钢开发与应用技术国家重点实验室( 宝钢)