摆臂球头断裂失效分析

在汽车路试过程中，前下摆臂球头总成在恶劣工况下（鹅卵石路段）发生了断裂，断裂时车辆行驶里程约为6000公里。鉴于这一失效情况，客户提交了断裂的摆臂球头样品进行测试分析，旨在查明失效的根本原因。该摆臂球头规定采用SCM435材质，并经过淬火（冷却油）+回火的热处理工艺。断裂发生在球头最窄处附近，即用于穿过螺栓的位置，具体断裂情况如图1所示。

摆臂球头断裂测试方案

摆臂球头断裂测试分析

• 宏观形貌观察

球头侧面存在腐蚀现象，圆弧位置可见明显的机加工刀纹。断裂位置紧邻圆弧最窄处，呈现出对称的两个裂纹源和扩展区。两个扩展区的面积差异显著，表明球头在断裂前受力不均。其中，面积较大的一侧被认定为主裂纹源，而面积较小的一侧则为次裂纹源。针对主裂纹源进行进一步分析发现，裂纹源附近侧面存在明显的刀纹和缺损，扩展区则呈现出典型的贝壳纹，这是疲劳断裂的特征。

• 表面粗糙度

根据设计要求，球头表面的粗糙度应控制在Ra1.6以内。实际测试结果显示，侧面位置（A位置）的粗糙度为0.85μm，圆弧位置（B位置）的粗糙度为1.30μm，均符合设计要求。

然而，考虑到装夹过程中可能出现的异常，圆弧位置可能会产生应力集中，成为薄弱环节。因此，建议对圆弧位置的粗糙度进行更严格的管控。

• 微观形貌观察

裂纹源位置存在明显的刀纹和缺损，表面有一定程度的氧化，但成分无异常。扩展区在断裂时磨损严重，可见少量疲劳辉纹。瞬断区则呈现出韧窝特征，表明为韧性断裂。

• 抛光态与腐蚀态形貌观察

球头截面的宏观金相显示材料均匀性良好。抛光态下的球头芯部显示材料无明显气孔和异常夹杂。表面与芯部的组织均为保持马氏体位相的回火索氏体，且表面无脱碳等异常现象。

• 化学成分测试

参照JIS G 4053-2016标准，摆臂球头材料的化学成分为碳C:0.373%，硅Si:0.200%，锰Mn 0.835%，磷P: 0.018%，硫S：0.009%，镍Ni：0.019%，铬Cr 1.060%，钼Mo：0.170%，余量铁Fe，符合SCM435成分标准标准要求。

• 材料硬度测试

摆臂球头表面和芯部的硬度无明显差异。

摆臂球头断裂测试结论

理想情况下，汽车前下摆臂球头总成的易断裂位置应位于其根部。然而，实际断裂却发生在球头圆弧底部。由于断面扩展区面积差异较大，推测球头与固定侧之间存在装配不良（如上部装配过紧，下部装配过松），导致圆弧位置额外受力且受力不均。这种受力不均在外表面存在的刀纹和缺损处引发了应力集中，进而在交变应力的作用下导致了疲劳断裂。

摆臂球头断裂改善建议

为提高摆臂球头的可靠性和耐久性，建议采取以下措施：

1. 提高球头表面的加工质量，减少刀纹和缺损等缺陷。

2. 改善装配工艺，确保球头与固定侧之间的装配紧密且均匀，避免装配不良导致的额外应力和受力不均。

通过这些措施的实施，可以有效降低摆臂球头在恶劣工况下的断裂风险。