圖 1斷裂轉向節的宏觀形貌
在雙碳政策及新能源汽車產業快速發展的背景下，汽車的輕量化轉型成為重要趨勢。鋁合金轉向節能有效降低懸掛系統以下部件的質量、提升燃油效率、減少排放[1]，因此在商用車及特種車輛等領域應用廣泛，特別是在發展迅猛的新能源汽車產業。轉向節作為汽車的關鍵零部件，其質量直接關系到汽車的行駛安全。開裂的轉向節可能導致汽車行駛中轉向失靈等嚴重故障，危及駕乘人員的安全。
某汽車右后轉向節在客戶端壓裝34孔球頭時出現了側面開裂的情況。該批次產品是成熟工藝的鑄鋁件，材料為鋁合金A356，布氏硬度不小于85 HBW，抗拉強度不小于280 MPa，屈服強度不小于220 MPa，斷后伸長率不小于6%。采用擠壓鑄造成型后再進行機械加工。在批量壓裝過程中，發現1件產品開裂，且安裝前未進行表面處理。筆者采用一系列理化檢驗方法對該轉向節斷裂的原因進行分析，以避免該類問題再次發生。
1. 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
斷裂轉向節的宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：斷裂位置為34號安裝孔的邊緣，上下兩面都是機械加工面，斷面與安裝孔徑向平行，機械加工面較光滑，外表面未發現明顯的缺陷和外來損傷。
斷裂轉向節斷口的宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知：整個斷口大面積區域呈亮灰色，在靠近外徑的位置有一部分深灰色區域（區域1），表面發暗，可能為氧化所致，周圍形貌匯聚到外徑上表面，推測區域1為起裂源。
圖 2斷裂轉向節斷口的宏觀形貌
1.2 化學成分分析
按照GB/T 20975.25—2020 《鋁及鋁合金化學分析方法 第25部分：元素含量的測定 電感耦合等離子體原子發射光譜法》對斷裂轉向節進行化學成分分析，結果如表1所示。由表1可知：斷裂轉向節的化學成分符合標準GB/T 20975.25—2020對鋁合金A356的要求。
Table 1.斷裂轉向節化學成分分析結果
1.3 工業計算機斷層成像分析
在斷裂轉向節的安裝環部分取樣，對試樣進行工業計算機斷層成像分析，掃描三坐標軸如圖3所示，為便于描述，將通孔的兩個加工面分別標為上和下，分析結果如圖4所示。由圖4可知：先由xz軸平面從上表面開始向下表面逐層掃描，可觀察到靠近上表面斷口位置有較多疏松和裂紋，中部54 mm處可見鑄造裂紋，再往下直至下表面都未發現缺陷；再由yz軸平面在斷口處從外徑至內徑進行逐層掃描，可觀察到在該平面靠近上表面位置有較多疏松和裂紋，繼續向內徑掃描，未發現更多缺陷。說明轉向節斷口附近存在鑄造缺陷，且缺陷集中于上表面靠近外徑的位置。
圖 3掃描三坐標軸示意
圖 4斷裂轉向節的工業計算機斷層成像分析結果
1.4 掃描電鏡（SEM）及能譜分析
利用掃描電鏡對轉向節斷口表面進行觀察，結果如圖5所示。由圖5可知：區域1及區域2深灰色區域呈金屬凝固后的原始特征形貌；區域3和區域4均為韌窩形貌[2]。推測區域1附近鑄造缺陷較多，主要為裂紋及疏松。
圖 5轉向節斷口表面SEM形貌
在區域1和3的不同位置取樣，對試樣進行能譜分析，取樣位置如圖6所示，分析結果如表2所示。由表2可知：發現區域1表面的C、O元素含量均高于區域3，推測區域1表面存在氧化層。
圖 6能譜分析位置
Table 2.區域1，3的能譜分析結果
1.5 金相檢驗
在斷裂轉向節斷口起裂源附近，以平行上表面xz坐標為橫截面進行取樣，根據GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》對試樣進行金相檢驗，結果如圖7所示。由圖7可知：斷口附近組織中存在α固溶體和共晶硅，同時可見較多裂紋，裂紋呈連續的直線或圓滑的曲線；缺陷多集中在靠近斷口表面的位置；xz軸平面中部54 mm處可見裂紋狀縫隙，其棱邊呈圓角狀，判斷該處為鑄造缺陷。
圖 7斷裂轉向節斷口處顯微組織形貌
1.6 力學性能測試
按照GB/T 231.1—2018 《金屬材料 布氏硬度試驗 第1部分:試驗方法》對斷裂轉向節進行布氏硬度測試，按照GB/T 228.1—2021 《金屬材料 拉伸試驗 第1部分:室溫試驗方法》對斷裂轉向節進行拉伸性能測試，結果如表3所示。由表3可知：斷裂轉向節的抗拉強度、屈服強度、硬度均符合技術要求，斷后伸長率不符合技術要求。
Table 3.斷裂轉向節力學性能測試結果
2. 綜合分析
由上述理化檢驗結果可知，斷裂轉向節的化學成分、硬度均無異常。轉向節斷口上表面靠近外徑的區域存在顯著的疏松和裂紋缺陷，裂紋起源于鑄造缺陷較多的區域。斷口表面局部區域C和O元素含量較高，表明斷口局部區域有氧化膜和碳雜質，使該區域的結合強度下降。斷口附近組織中存在α固溶體和共晶硅。斷裂轉向節的斷后伸長率較小，不滿足技術要求。
鑄造鋁合金轉向節在壓裝孔球頭時，其外徑處存在裂紋、疏松等鑄造缺陷，產生了應力集中，導致轉向節的強度下降。隨著壓力的持續加載，裂紋從外徑鑄造缺陷處開始萌生并不斷擴展，最終造成轉向節側面斷裂，斷裂性質為韌性斷裂。
3. 結語與建議
鋁合金轉向節存在鑄造缺陷，在壓裝力的作用下，鑄造缺陷處開始萌生裂紋并不斷擴展，最終導致轉向節發生韌性斷裂。
建議在鑄造過程中采取更嚴格的質量控制措施，以避免產生鑄造缺陷，同時提高材料的均勻性、金屬的充型能力，增強排氣。在鑄造成型后對產品進行無損檢測，進一步把控鑄造質量，以確保產品的可靠性和安全性。
文章來源——材料與測試網