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摘 要：某款车型在矿区山路行驶过程中，驱动桥后桥壳在钢板弹簧位置附近发生开裂，有齿轮油渗出，此失效后桥壳为钢板冲压件，通过气体保护焊焊接而成，其主体为上下两半冲压件。本文主要对失效件断口通过宏观观察、微观分析、金相检测，确定后桥壳开裂性质，分析可能开裂的原因。
关键词：驱动桥后桥壳；钢板弹簧；开裂；断口分析
驱动桥后桥壳是汽车重要的组成部分，它不但支撑着汽车的重量，将载荷传递给车轮，还承受制动工况、驱动工况、横向工况、纵向工况及上下跳工况产生的力或力矩，并经悬架传递给车身或车架。在汽车行驶过程中，由于道路条件的千变万化，桥壳受到车轮与地面间产生的冲击载荷影响，可能引起桥壳变形或开裂，甚至断裂，因此驱动桥后桥壳应具有足够的强度和刚度。同时其内部装有减速器、差速器、车轮传动装置及齿轮油，不但可以保护上述零部件受到外界的破坏，还可以通过内部的齿轮油润滑零部件之间的摩擦，降低零部件摩擦产生的温度，提高其寿命，所以合理的设计制造驱动桥后桥壳是提高汽车行驶稳定性和操作性的重要措施，如驱动桥后桥壳失效，会影响整车操稳，甚至发生交通事故，威胁生命。
某款车型在矿区行驶过程中，驱动桥后桥壳开裂，对失效件进行分析，结果如下：
1 宏观观察
驱动桥后桥壳外观及开裂位置见图1，桥壳的开裂位置在桥壳背面，位于钢板弹簧支座附件，与车辆前进方向相反，沿桥壳周向分布，后桥壳表面为电泳黑漆处理，开裂区域附件未见撞击、磕碰等异常损伤。在后桥壳上截取失效位置，外观见图2。
图1 后桥壳整体结构图 图2 失效样件外观
观察断口形貌，发现断口表面较为平整，有少量的塑形变形，端口上可观察到较为明显的疲劳源区和疲劳弧线，裂纹扩展方向为沿后桥壳周向，瞬断区出现了严重的磨损，后桥壳源区起源于焊缝区外表面一侧。为进一步对断口进行观察，将断口放于显微镜下进行观察，后桥壳源区起源于焊缝外表面一侧，为点源特征，源区被少量油污覆盖，但仍能观察到明显的疲劳辉纹，辉纹大小间距不等。疲劳扩展区所占面积较小，而在整个断口上瞬断区所占面积较大，瞬断区大部分区域因磨损而现光亮。
2 断口微观观察
断口经超声波清洗，去除杂质及油渍后放在扫描电镜下进行观察，确认微观形貌，可以观察到明显的疲劳辉纹。源区附件为焊缝区，该区域存在较为严重的磨损，推断为后桥壳开裂后形成。疲劳辉纹附近的高倍形貌，该区域为疲劳扩展前期，可以看到少量短小的疲劳辉纹，瞬断区主要以韧窝特征为主，并伴有磨损特征。
3 金相分析
分别沿平行和垂直于断口的方向即沿桥壳的横向和纵向，制取桥壳基体的金相试样，并进行组织形貌观察，主要为铁素体和颗粒状物且存在带状颗粒物偏析。
4 化学元素分析
去除失效件表面保护层，从失效件本体上取样进行化学元素分析，分析结构如表1：
表1
[＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&][元素（%）
要求
失效件][C
≤0.21
0.16][S
≤0.035
0.006][Si
≤0.3
0.11][Mn
≤1.5
1.18][P
≤0.035
0.007]
根據分析结果可知，失效后桥壳所用材料化学元素满足标准要求。
5 分析结论
以上试验结果表明，后桥壳开裂断口表面可见明显的疲劳辉纹，疲劳条带特征，表明此开裂为疲劳开裂，疲劳源区起源于焊缝，桥壳在进行气体保护焊焊接时，焊缝处的金属在冷却时会收缩，往往在焊缝内产生较大的残余应力，在较大的外力作用下容易醒焊缝边缘发生开裂。
断口的观察结果表明，后桥壳开裂断口成疲劳开裂特征，间距大小不等的疲劳辉纹表明开裂过程经历了受力大小不等的多个阶段，裂纹源位于焊道处，为点源特征，裂纹源附件未见气孔、夹杂和加工缺陷特征。金相组织分析表明，桥壳基体组织中含有带状颗粒无偏析，但偏析程度较弱，对桥壳疲劳性能影响较小。通过化学元素分析，失效件的化学元素满足标准要求。
后桥壳工作过程中受力情况复杂，除了受弯矩的作用还承受扭矩作用，其疲劳寿命不仅随冲击载荷的应力幅和应力循环次数增大而减小，同时与所承受的应力平均值的大小密切相关，应力平均值越大，其疲劳寿命越短。失效汽车行驶在矿区地带，路面路况较恶劣，桥壳受到的冲击载荷幅值大大增加，造成后桥壳出现破坏。
综上，后桥壳工作过程受到较大的应力作用，在易于萌生裂纹，工作应力较大的焊缝区域产生裂纹，裂纹产生后在变化载荷的作用下逐渐扩展，最终导致桥壳疲劳开裂。
6 经验总结
后桥壳开裂位置位于焊缝处，且焊缝处易产生应力集中，汽车行驶过程中受到较大应力作用，导致后桥壳失效。针对焊缝处开裂做如下处理：
①焊接完成后，对焊道进行去应力处理，如敲击焊道、传统的时效处理、局部热处理等；
②增加焊丝的强度，提高自身的机械性能；
③优化焊接方式，收弧起弧位置避开应力集中或开裂位置。
参考文献：
[1]陈传尧.疲劳与断裂[M].武汉：华中科技大学出版社，2001.
[2]刘惟信.汽车设计[M].北京：清华大学出版社，2001.
[3]刘鸿文.材料力学[M].北京：高等教育出版社，1992.
[4]杨学桐.金相检验[M].上海：上海科学普及出版社，2003.
关键词：驱动桥后桥壳；钢板弹簧；开裂；断口分析
驱动桥后桥壳是汽车重要的组成部分，它不但支撑着汽车的重量，将载荷传递给车轮，还承受制动工况、驱动工况、横向工况、纵向工况及上下跳工况产生的力或力矩，并经悬架传递给车身或车架。在汽车行驶过程中，由于道路条件的千变万化，桥壳受到车轮与地面间产生的冲击载荷影响，可能引起桥壳变形或开裂，甚至断裂，因此驱动桥后桥壳应具有足够的强度和刚度。同时其内部装有减速器、差速器、车轮传动装置及齿轮油，不但可以保护上述零部件受到外界的破坏，还可以通过内部的齿轮油润滑零部件之间的摩擦，降低零部件摩擦产生的温度，提高其寿命，所以合理的设计制造驱动桥后桥壳是提高汽车行驶稳定性和操作性的重要措施，如驱动桥后桥壳失效，会影响整车操稳，甚至发生交通事故，威胁生命。
某款车型在矿区行驶过程中，驱动桥后桥壳开裂，对失效件进行分析，结果如下：
1 宏观观察
驱动桥后桥壳外观及开裂位置见图1，桥壳的开裂位置在桥壳背面，位于钢板弹簧支座附件，与车辆前进方向相反，沿桥壳周向分布，后桥壳表面为电泳黑漆处理，开裂区域附件未见撞击、磕碰等异常损伤。在后桥壳上截取失效位置，外观见图2。
图1 后桥壳整体结构图 图2 失效样件外观
观察断口形貌，发现断口表面较为平整，有少量的塑形变形，端口上可观察到较为明显的疲劳源区和疲劳弧线，裂纹扩展方向为沿后桥壳周向，瞬断区出现了严重的磨损，后桥壳源区起源于焊缝区外表面一侧。为进一步对断口进行观察，将断口放于显微镜下进行观察，后桥壳源区起源于焊缝外表面一侧，为点源特征，源区被少量油污覆盖，但仍能观察到明显的疲劳辉纹，辉纹大小间距不等。疲劳扩展区所占面积较小，而在整个断口上瞬断区所占面积较大，瞬断区大部分区域因磨损而现光亮。
2 断口微观观察
断口经超声波清洗，去除杂质及油渍后放在扫描电镜下进行观察，确认微观形貌，可以观察到明显的疲劳辉纹。源区附件为焊缝区，该区域存在较为严重的磨损，推断为后桥壳开裂后形成。疲劳辉纹附近的高倍形貌，该区域为疲劳扩展前期，可以看到少量短小的疲劳辉纹，瞬断区主要以韧窝特征为主，并伴有磨损特征。
3 金相分析
分别沿平行和垂直于断口的方向即沿桥壳的横向和纵向，制取桥壳基体的金相试样，并进行组织形貌观察，主要为铁素体和颗粒状物且存在带状颗粒物偏析。
4 化学元素分析
去除失效件表面保护层，从失效件本体上取样进行化学元素分析，分析结构如表1：
表1
[＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&][元素（%）
要求
失效件][C
≤0.21
0.16][S
≤0.035
0.006][Si
≤0.3
0.11][Mn
≤1.5
1.18][P
≤0.035
0.007]
根據分析结果可知，失效后桥壳所用材料化学元素满足标准要求。
5 分析结论
以上试验结果表明，后桥壳开裂断口表面可见明显的疲劳辉纹，疲劳条带特征，表明此开裂为疲劳开裂，疲劳源区起源于焊缝，桥壳在进行气体保护焊焊接时，焊缝处的金属在冷却时会收缩，往往在焊缝内产生较大的残余应力，在较大的外力作用下容易醒焊缝边缘发生开裂。
断口的观察结果表明，后桥壳开裂断口成疲劳开裂特征，间距大小不等的疲劳辉纹表明开裂过程经历了受力大小不等的多个阶段，裂纹源位于焊道处，为点源特征，裂纹源附件未见气孔、夹杂和加工缺陷特征。金相组织分析表明，桥壳基体组织中含有带状颗粒无偏析，但偏析程度较弱，对桥壳疲劳性能影响较小。通过化学元素分析，失效件的化学元素满足标准要求。
后桥壳工作过程中受力情况复杂，除了受弯矩的作用还承受扭矩作用，其疲劳寿命不仅随冲击载荷的应力幅和应力循环次数增大而减小，同时与所承受的应力平均值的大小密切相关，应力平均值越大，其疲劳寿命越短。失效汽车行驶在矿区地带，路面路况较恶劣，桥壳受到的冲击载荷幅值大大增加，造成后桥壳出现破坏。
综上，后桥壳工作过程受到较大的应力作用，在易于萌生裂纹，工作应力较大的焊缝区域产生裂纹，裂纹产生后在变化载荷的作用下逐渐扩展，最终导致桥壳疲劳开裂。
6 经验总结
后桥壳开裂位置位于焊缝处，且焊缝处易产生应力集中，汽车行驶过程中受到较大应力作用，导致后桥壳失效。针对焊缝处开裂做如下处理：
①焊接完成后，对焊道进行去应力处理，如敲击焊道、传统的时效处理、局部热处理等；
②增加焊丝的强度，提高自身的机械性能；
③优化焊接方式，收弧起弧位置避开应力集中或开裂位置。
参考文献：
[1]陈传尧.疲劳与断裂[M].武汉：华中科技大学出版社，2001.
[2]刘惟信.汽车设计[M].北京：清华大学出版社，2001.
[3]刘鸿文.材料力学[M].北京：高等教育出版社，1992.
[4]杨学桐.金相检验[M].上海：上海科学普及出版社，2003.