不锈钢接头：金属软管断裂原因分析

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  金属软管须正确安装，其安装长度应在拉伸长度与压缩长度的中间位置。若安装不当，金属软管容易在不正常部位，即端部发生断裂。金属软管起减振作用的部分为近发动机端，约占整个软管长度的1/3，其他长度区域则属于补偿安装公差段。在使用过程中，由于其结构的特别性，内扣接触面有摩擦，且间隙内容易积聚淤泥。久而久之会发生断裂或被卡死，失去柔性伸缩的能力，不能吸收发动机传来的振动，就会导致其他部件损坏，甚至波及消声器。因此，要分析金属软管的失效机理。

  本研究所分析的金属软管为ASS 型结构，如图1所示。在使用过程中发生了断裂，其余部分位置则卡死不能伸缩。故障时行驶里程为3万多km(标准要求是保证10万km内不失效) ，其使用寿命远远低于预期。经市场返回的统计数据，同类型的金属软管发生较大比例断裂，其断裂的里程基本都集中在4万km 以下。本研究对失效的金属软管进行宏观分析、断口分析、金相分析、能谱分析等，找到金属软管发生断裂和卡死失效的原因，并提出改进建议。

  一、实验过程与结果

  1.1 宏观分析

  金属软管的宏观形貌如图2a所示，表面布满泥土，呈土黄色，内表面则有黑色的积碳。断裂位置在靠近发动机一端约2 ～ 4扣处，断裂处的细节如图2b所示，在外侧表面可以看到残留的断口。将断裂处拉开后如图2c所示。将断裂部分切下后，打开缠绕的S型钢带，可见有2个方向的裂纹，一是在折弯处的呈周向的裂纹(图2d) ，另一处是呈轴向(或纵向，图2e) 的裂纹，两个方向裂纹交汇时，而后导致了排气管断裂。周向的裂纹相对来说较平直，纵向的裂纹有的平直有的则比较曲折，断裂处截面非常的薄。

  1.2 断口宏、微观观察

  将金属软管的周向和纵向断口都放置在扫描电镜内观察，其周向断口的截面均非常薄，约0.02 mm，有的已被磨损，局部保存完好区域的断口微观如图3a、图3b所示，起源为线源，断口的特征为疲劳，源区未见异常； 图3c、图3d所示为纵向断口的低倍形貌，从内侧表面起源，线源，断口微观特征如图3d 所示，为疲劳特征。纵向断口截面厚度约0.4 mm。

  二、分析与讨论

  金属软管的裂纹有两个方向，一是沿着S型折弯处的周向裂纹，从表面起源，为线源，沿着软管的截面厚度方向扩展；另一个是呈纵向(或轴向) 的裂纹，也是从表面起源，为线源，沿着截面厚度方向扩展；当两个方向的裂纹交汇后，而后导致了金属软管的断裂。通过对周向折弯处的断口以及纵向断口做微观分析发现，断裂源均为线源，源区无明显材料缺陷，断口扩展区的特征均为疲劳特征。另外，其断口截面均存在不同程度的减薄，观察到的断裂截面薄处仅仅为0.02 mm(其他未磨损区域的截面厚度则约为0.6mm) ；断口截面虽变薄，但断口附近并无变形痕迹，说明其截面的变薄并非因塑性拉伸引起。

  而断口附近的钢带表面存在明显的磨损痕迹，其磨损特征为粘着磨损+ 磨粒磨损。据文献报道，304不锈钢如与摩擦副发生摩擦，也主要以粘着磨损机制为主，且随着表面摩擦的进行，表层组织会发生马氏体转变。在载荷和摩擦剪切应力的作用下，由于表层晶粒细化、以及高密度位错的综合作用使得304不锈钢的显微硬度增大； 因此，在本案例中，金属软管断口附近的显微硬度比基体稍高，但其显微硬度的提高并不能提升其疲劳性能，一、是软管截面本身较薄，并且随着磨损的消耗，截面变得更薄，其疲劳性能随着下降。另外，表层诱发马氏体的增加对SUS304奥氏体不锈钢的磨损无明显影响。因此可以这样说，虽然在摩擦的过程中， 304不锈钢表面出现了马氏体，显微硬度也升高，但这不能阻止不锈钢薄板表面的材料损耗以及疲劳强度的下降。

  在本研究中，除了粘着磨损，其表面还有磨粒磨损的痕迹，这些磨粒成分主要是Si、O之类，是外界带入的尘土或泥沙颗粒混入了金属软管间隙，磨粒加剧了不锈钢带的磨损。泥沙渗入除了加剧磨损之外，更造成了金属软管不能再自由伸缩，即发生卡死现象。而金属软管部分区域卡死，也造成了其他区域的受力异常，更加速了此区域的断裂的发生。

  另外，本研究金属软管的断裂位置在接头附近( 靠近发动机一端) 的约第2 ～ 4扣处，而这个位置正处于振幅大，振动为频繁的区域内； 因此，其断裂的主要原因主要是振动和磨损造成的疲劳断裂。

  金属软管的结构是由双层304不锈钢薄带缠绕内扣而成，属于ASS结构，其钢带之间存在间隙，在振动过程中，相互接触的钢带摩擦磨损不可避免； 且车辆属于工程车，工作环境十分恶劣，行驶过程中泥浆、水、尘土等会逐渐带入金属软管的间隙处，成为摩擦副之间的磨粒，加剧磨损。当进入钢带间隙的泥沙等异物逐渐增多，而后会导致金属软管卡死。因此，防止金属软管发生类似失效的方法是: 一、采用威斯法利DSS型软管，该软管特别的结构可以防止泥沙渗入内部； 二、适当加厚钢带的截面厚度，提高疲劳性能； 第三，不要将软管安装在车轮附近。

  三、结论与建议

  金属软管为疲劳断裂，其断裂的主要原因是在振动情况下，钢带表面发生粘着磨损加磨粒磨损，磨损导致截面变薄后疲劳强度下降，而后发生疲劳断裂； 外界泥沙等异物渗入金属软管间隙导致其发生卡死现象，这也是导致其断裂的次要原因。

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