1 概述
A公司某款车型驻车底板支撑座在路试中，陆续发生几起断裂失效事故，断裂位置和断口形貌相似，由于驻车制动器总成是汽车安保零件，关系到乘车人的生命和财产安全，有必要进行失效原因分析排查和施行措施改善，杜绝缺陷产品流向市场。基于锻造成型产品综合力学性能优良的特点，支撑座采用热墩成型工艺。支撑座生产工艺流程：原材料下料→热墩→退火→机加→与底板热铆；原材料牌号为35#中碳钢。
2 裂纹原因分析
对发生断裂的支撑座宏观检测断口形貌，用直读光谱仪分析原材料化学成分、采用拉力试验机测试材料的力学性能，采用金相显微镜分析样件的金相组织。
2.1 裂纹位置
支撑座断裂位置描述如图1所示，图a）为支撑座与底板热铆图，图b）为断裂部位图，图c）为样件裂纹源位置图。

图1 支撑座断裂位置
（a）支撑座与底板热铆图；（b）断裂位置图；（C）裂纹源
Fig.1 Location of the crack
(a)picture of the arrester baseboard;(b)position of the crack; (c)origination of the crack.
2.2 问题分析
断裂失效原因分析侧重于断口分析、金相组织分析、材料成分分析等，从原材料成分、失效件及热加工半成品件金相分析等方面分析裂纹产生的潜在因素。
（1） 宏观断口分析
如图1（c）所示，样件裂纹起始于表面，断口较粗糙，呈放射扩展；如图2所示，断口氧化较严重，裂纹源处未发现明显缺陷。支撑座在服役状态下受到交变载荷作用，本应呈疲劳断口特征，但断口形貌未见明显的贝壳状疲劳辉纹，也未呈现纤维状形貌，初步判断断裂类型为脆性断裂。

图2 起裂点断口形貌
（a）×29；（b）×100
Fig.2 Fracture morphology of the crack
(a)×29; (b)×100
（2） 原材料成分及力学性能分析
查找失效原因从源头分析，原材料管控是影响支撑座机械性能的最起始也较为关键的一个环节。由于厂家按照国标来对原材料进行入场检验，通过将原材料的化学成分及力学性能与国标比对，原材料的化学成分及力学性能均满足国标要求（见表1、表2）。
表1 35钢材料化学成分（质量分数，%）
Table1 Chemical position of 35 steel（wt%）
元素 C Si Mn Cr S P Cu
标准要求（wt%） 0.32～0.39 0.17～0.37 0.35～0.80 ≤0.25 ≤0.035 ≤0.035 ≤0.25
检测值
（wt%） 0.37 0.20 0.56 0.040 0.0013 0.024 ＜0.05

表2 35钢材料拉伸力学性能
Table2 Tensile strength of 35 steel
抗拉强度 Mpa 屈服强度 Mpa 断后伸长率A %
材料标准 ≥530 ≥315 ≥20
检测值 615 389 28
（3） 金相组织分析
分别检测故障件、热墩件、退火件断裂部位附近的金相组织及硬度。金相组织图片如图3所示，检测结果如表3所示。


图3 金相组织图
（a）故障件 ×100；（b）故障件 ×500； （c） 热墩件 ×100；（d） 退火件 ×500.
Fig.3 Metallographic of the parts
(a) failure parts ×100; (b) failure parts ×100; (c) forging parts ×100; (d) annealing parts ×500.
表3 样件金相组织
Table3 Microstructure of samples
样件类型 金相组织
故障件 珠光体+网状铁素体+魏氏组织+魏氏组织+少量屈氏体，晶粒度级别：3.5
热墩件 片状珠光体+网状铁素体+魏氏组织，魏氏组织级别：2级
退火件 片状珠光体+网状铁素体+魏氏组织，魏氏组织级别：2级
由上表可以发现故障件、热墩件以及热墩后退火件均存在魏氏组织，热墩件经过退火处理，金相组织未发生改变。由图3所示，故障件断裂位置附近的金相组织与半成品热墩件、热墩后退火处理件相似，铁素体呈网状分布，在晶界位置生长出近似平行的针状铁素体。故障件的晶粒度级别为3.5级，晶粒粗大，这可能与热墩工序加热温度过高、加热时间过长有关。考察现场情况发现，热墩的加热环节料棒采用感应加热设备加热，人工进送料，加热后的料棒表皮出现了熔化现象。查阅现场工艺卡片发现，见表4，始锻温度为1050℃～1200℃，终锻温度不低于800℃，加热时间没有规定，由人为控制。热墩后的毛坯，发往热处理专业厂家退火处理。退火温度为720℃，加热时间1h，保温时间3.5h，降温至500℃出炉空冷。此热处理工艺为典型的球化退火处理。

表4 工艺参数
Table4 Process parameter
工序 1.始锻 2.终锻 3.退火
参数 1050~1200℃，
人工控制时间 ≥800℃，
人工控制时间 720℃加热1h保温3.5h，
炉冷至500℃出炉空冷

3 理论分析
热墩工序中，加热料棒是为了增强金属材料的流动性，使材料在外力作用下较容易充满模腔，以便获得所需外形尺寸的零件。如果锻造时始锻温度过高或终锻温度过高，必然造成奥氏体晶粒粗大，为魏氏组织的产生创造了条件；若锻后冷速又较快，便产生了魏氏组织[1]。魏氏组织对材料性能的影响极大，针片状组织会割裂钢的基体，降低钢的韧性。在拉伸试验中又阻碍试样伸长，因而导致延伸率降低[2]，因而使钢容易发生脆性断裂。对易出现魏氏组织的钢材可以通过降低锻造加热温度、控制锻后冷却速度或者改变热处理工艺，例如通过细化晶粒的调质、正火等工艺来防止或消除魏氏组织[3]。实际热墩后的工件进行球化退火处理，该工艺并没有消除或改善在热墩工序出现的魏氏组织。球化退火工艺普遍适用于采用冷锻工艺制造紧固件前对原材料的预备热处理，其目的是获得碳化物球化组织。球化组织其强度和硬度较低，塑性较好，有利于冷镦成型。厂家在设计制造工序时，在热墩后采用球化退火处理，可能的目的在于降低材料的硬度，便于机械加工，然而却忽视了成品的组织和机械性能。同时，为了节约生产成本，机械加工后的调质补救工序却被省去了，由热墩不当使基体产生的魏氏组织得以延续下来。整个生产制作工序设计、工艺参数设计不合理是造成支撑座断裂的根本原因。
4 改进措施及验证
根据上述支撑座断裂的原因分析，制定了以下改