王崢　柴智勇　張元
（中國汽車技術研究中心，天津市　300000）

　　摘　要：斷裂失效是汽車金屬零部件失效中Z常見也是危害Z大的一種形式，其一旦發生，將會引起重大的經濟損失和人員傷亡。本文分別概述了疲勞斷裂、韌性斷裂和脆性斷裂，通過實際案例，對汽車金屬零部件斷裂失效進行質量鑒定，研究金屬零部件斷裂失效的特征與規律，找到斷裂原因，分清事故責任，為有關部門提供行政執法的理論依據。

　　關鍵詞：斷裂失效；質量鑒定；汽車金屬零部件

　　1　引言
　　近幾年來，在汽車產品質量鑒定案件中，汽車金屬零部件斷裂失效占有較大比例，因為零部件斷裂失效是金屬失效中危害Z大的一種形式，其一旦發生，將會引起經濟損失和人員傷亡等嚴重后果。所以對汽車金屬零部件斷裂失效進行質量鑒定，研究金屬零部件斷裂失效的特征與規律，找到斷裂原因，分清事故責任，為有關部門提供行政執法的理論依據。
　　汽車金屬零部件在斷裂失效時會形成一對相互匹配的斷裂表面，即斷口，斷口總是發生在金屬組織中Z薄弱的地方，并忠實地記錄金屬斷裂時的全過程，即裂紋的產生、擴展直至開裂；同時也記錄著裂紋擴展的途徑、擴展過程及內外因素對裂紋擴展的影響。因此，在進行零部件斷裂失效分析時，斷口即作為切入點，形貌特征分析，材料組織和性能檢測，判斷零件的受力狀態以及使用環境條件（溫度、介質等）等，揭示斷裂失效的特征與規律，找到斷裂原因，提出科學、公正的司法鑒定意見。其中，斷裂失效形式按照不同的分類方法，可分為很多種，其中按斷裂性質分類，可分為韌性斷裂、脆性斷裂和疲勞斷裂。
　　2　疲勞斷裂失效
　　2.1概述
　　疲勞斷裂是汽車零部件中Z常見的失效方式之一，它是汽車金屬零部件在交變應力作用下，經過周而復始的運動發生的斷裂現象。一般疲勞斷裂的應力遠遠小于材料的屈服強度σ0.2，斷裂前無明顯的塑性變形，是一種低應力脆斷破壞現象。疲勞斷裂是損傷累積過程的結果，包括裂紋萌生、擴展和失穩斷裂三個階段，不同階段損傷方式和損傷量不同，其與材料特性、尺寸形狀、服役條件環境等有密切的關系。
　　根據汽車金屬零部件破壞時總的應力循環次數或稱疲勞壽命來分類，可分為高周疲勞和低周疲勞斷裂失效。高周疲勞時應力在屈服強度以下，零件的壽命主要由裂紋的形核時間控制；低周疲勞時應力可高于屈服強度，其零件的壽命受裂紋擴展速度的影響較大。70%-80%的汽車金屬零部件為低應力高周疲勞斷裂。
　　2.2實際案例
　　某緊固螺栓發生斷裂失效，如圖1所示，宏觀下觀察即可看到明顯的貝殼花樣，即疲勞弧線，將該螺栓置于掃描電子顯微鏡下進行微觀觀察，可見清晰的微觀疲勞條紋，屬于典型的疲勞斷裂。該斷裂起始于螺紋根部表面、次表面小區域，為為穿晶疲勞多源裂紋；擴展區為疲勞紋和韌窩相間交替的混合斷口，表示裂紋前沿在間歇擴展；瞬斷區的斷口為為韌窩斷口形態，如圖2-4所示。綜上，可判斷螺栓斷裂屬于低載荷下高應力集中的軸向拉伸疲勞斷裂。

　　該螺栓螺紋處存在微細小裂紋構成了應力集中，形成裂紋源，螺栓繼續受交變循環應力作用，裂紋進一步擴展致斷裂，非由于事故造成的斷裂。

　　3　韌性斷裂失效
　　3.1概述
　　韌性斷裂一般是在汽車金屬零部件過載斷裂前，在斷裂部位出現的明顯塑性變形，即零件危險截面處所承受的實際應力超過了材料的屈服強度發生的斷裂（延性斷裂或塑性斷裂）。
　　由于金屬零部件發生韌性斷裂的微觀特征是韌窩形貌，它是材料在微區范圍內塑性變形產生的顯微空洞，經形核、長大、聚集，Z后相互連接導致斷裂后在斷口表面留下的痕跡。韌性斷裂的斷口附近有明顯宏觀塑性變形；斷口外形呈杯錐狀銑刀斷口，杯底垂直于主應力，錐面平行于Z大切應力，與主應力成45°角；斷口表面呈纖維狀，其顏色呈暗灰色。
　　3.2實際案例
　　某品牌SUV在沒有中間隔離帶的城市公路上行駛，突然左轉，與對向行駛的某轎車相撞，造成2人死亡，2人重傷的交通事故。事后發現該SUV的左前轉向節下控制臂球節支座發生斷裂，為此河北省某法院委托車輛鑒定中心對金屬零部件斷裂原因進行司法鑒定，以還原事故真相，分清事故責任。

　　將被鑒車輛左前轉向節下控制臂球節支座拆卸，如圖5所示，可見連接螺栓部位斷裂缺失，斷口處有沿車輛向后方向的塑性變形，并有裂紋，斷口表面有銹蝕。將支座斷口試樣置于掃描電鏡下進行微觀檢驗，檢驗結果如圖6所示。通過觀察發現支座斷口微觀形貌均為韌窩形貌，無冶金缺陷，因此該斷裂為韌性斷裂。
　　對支座試樣進行硬度檢驗，結果為布氏硬度193。取支座試樣進行金相組織檢驗，可以看出球墨鑄鐵石墨球化級別為1級，且球化良好、均勻，內部組織為鐵素體+珠光體組織，主要基體組織為鐵素體，各個區域組織均勻，如圖7所示，支座硬度性能和金相組織均符合相應標準要求，因此認定該支座不存在質量問題。綜上，該SUV左前轉向節下控制臂球節支座斷裂原因是：左前轉向節下控制臂球節支座受到沿車輛向后的外力作用，致使該支座發生塑性變形，并有裂紋，Z終導致斷裂。

　　4　脆性斷裂失效
　　4.1概述
　　脆性斷裂是金屬零部件未發生宏觀塑性變形，其斷裂應力低于材料的屈服強度，故又稱作低應力斷裂。由于脆性斷裂的擴展速率極高，斷裂過程在瞬間完成，因此脆性斷裂大都突然發生，沒有事先預兆，對人身及車輛安全造成極其嚴重的后果，所以脆性斷裂是人們力圖予以避免的一種斷裂失效形式。
　　脆性斷裂可分為沿晶脆斷與穿晶脆斷（解理斷裂）。沿晶斷裂又稱晶間斷裂，即多晶體沿不同取向的晶粒所形成的沿晶粒界面分離。在通常情況下，金屬晶界的鍵合力高于晶內，斷裂擴展的路徑是穿晶斷裂，而非沿晶斷裂，但如果熱加工工藝不當，造成雜質元素在晶界富集或沿晶界析出脆性第二相等因素出現時，晶界的鍵合力被嚴重削弱，在低于正常斷裂應力情況下，被弱化的晶界成為斷裂擴展的優先通道而發生沿晶斷裂。因此，在零部件中發生的沿晶斷裂均屬非正常斷裂情況。
　　4.2實際案例
　　某SUV進口車在高速公路行駛時傳動軸突然斷裂、脫落，隨后又追尾了一輛小轎車和一輛微型面包車，造成了兩人受傷，車輛受損的交通事故。該車主認為車輛在行駛中沒有任何誤操作，系該車存在產品質量問題造成此次事故，其汽車生產廠家與銷售商應承擔相應責任，因此訴至法院向生產廠家和銷售商提出索賠。遼寧省某法院委托車輛鑒定中心對該車傳動軸斷裂原因進行鑒定，鑒定該事故是否是車輛質量問題導致，以查清事故原因，分清事故責任。
　　該車輛前傳動軸（變速箱端）脫落，萬向節叉斷裂，如圖8所示；傳動軸A側萬向節叉斷裂，不完整，有明顯塑性變形，與之相連的十字軸、十字軸套筒及滾針等均已缺失；B側十字軸套筒有破損開裂，內部滾針脫落，將B側聯接處萬向節叉拆卸，如圖9所示，十字軸套筒斷裂，斷口周圍無塑性變形。取B側斷裂的十字軸套筒斷口試樣置于掃描電鏡下進行斷口微觀形貌檢驗，其套筒截面斷口為典型的沿晶與穿晶解理混合斷口，以沿晶斷口為主，斷口表面有二次裂紋，可見“雞爪痕”，如圖10-11所示。

　　取B側十字軸套筒試樣進行金相組織檢驗，十字軸套筒表層組織為馬氏體，心部為鐵素體+貝氏體，各個區域組織均勻，表層裂紋顯示出明顯的沿晶擴展特征，如圖12-15。

　　對其能譜分析顯示套筒材料表層碳含量明顯高于心部，未添加合金元素，可推斷套筒經過滲碳表面處理，為碳素鋼。對其顯微維氏硬度檢驗，其由表面到心部硬度逐漸降低，表面層硬化明顯。
　　綜上所述，該車輛前傳動軸B側十字軸套筒的斷裂是沿晶斷裂，其組織、性能均無異常。由于該十字軸套筒材料材質、牌號及加工工藝委托人均未能提供，所以對十字軸套筒沿晶斷裂進行分析，有可能為氫致延遲斷裂，而氫應為套筒生產（冶煉、酸洗、滲碳、電鍍等）環節引入。Z終意見：該車輛由于質量問題導致其前傳動軸在車輛正常行駛過程中發生斷裂、脫落。

　　5　結語
　　隨著我國汽車保有量的增加，汽車安全問題更為突出，在汽車交通事故和質量事故中涉及金屬零部件斷裂失效案件有很多，其危害很大，所以需要司法鑒定人員深入細微觀察，科學綜合分析，得出科學質量鑒定意見，作為鑒定事故責任、實施技術保險業務、偵破犯罪的依據，這對于維護司法公正具有十分重要的意義。而對于車輛生產廠，汽車金屬零部件斷裂失效的質量鑒定可為設計、生產、使用或維修的各個環節提供理論依據，能夠采取有效的改進與預防措施，防止同類事故再次出現，對于提升汽車產品質量和使用安全性都有著積極的促進作用。

來源：《時代汽車》2017年第12期