基于失效分析的汽車傳動(dòng)軸斷裂的鑒定

王崢，王放明，谷陽(yáng)陽(yáng)，張?jiān)ㄖ袊?guó)汽車技術(shù)研究中心，天津300300，中國(guó)）

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基于失效分析的汽車傳動(dòng)軸斷裂的鑒定

王崢，王放明，谷陽(yáng)陽(yáng)，張?jiān)?br/>（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，天津300300，中國(guó)）

汽車在高速公路上正常行駛時(shí)突然傳動(dòng)軸斷裂、脫落，隨后發(fā)生幾車連撞的交通事故，為了調(diào)查事故原因，分清責(zé)任，需要對(duì)傳動(dòng)軸斷裂原因進(jìn)行鑒定，為法院判決提供判案依據(jù)。首先對(duì)該車進(jìn)行整體檢驗(yàn)，之后對(duì)傳動(dòng)軸斷口進(jìn)行宏、微觀分析，并進(jìn)行化學(xué)成分、金相組織以及硬度檢測(cè)，結(jié)果表明十字軸套筒斷裂為沿晶斷裂，經(jīng)分析為氫致延遲斷裂，認(rèn)定十字軸套筒應(yīng)為整個(gè)傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)中的首斷件，使整個(gè)傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)受力失穩(wěn)，而斷裂的萬(wàn)向節(jié)叉應(yīng)為被動(dòng)損壞件，是整個(gè)傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)受力失穩(wěn)后導(dǎo)致的局部載荷過大，超過其屈服強(qiáng)度而引發(fā)的過載斷裂。

斷裂失效；傳動(dòng)軸；失效分析；司法鑒定

0 引言

XX法院審理的原告車主訴被告XX汽車廠家和汽車銷售商侵權(quán)責(zé)任糾紛一案中，原告等二人駕駛小轎車在高速公路上正常行駛時(shí)突然傳動(dòng)軸斷裂、脫落，同時(shí)伴有巨響，隨后車輛停在快車道上，之后又追尾了一輛轎車和一輛微型面包車，造成二人受傷，車輛受損的交通事故。由于現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)傳動(dòng)軸斷裂，車主認(rèn)為是由于該車質(zhì)量問題造成此次事故，因此訴至法院向銷售商和廠家提出索賠。為查清事故原因，分清責(zé)任，XX法院委托車輛鑒定中心對(duì)該車傳動(dòng)軸斷裂原因進(jìn)行鑒定，鑒定該事故是否是車輛質(zhì)量問題導(dǎo)致。

傳動(dòng)軸是汽車傳動(dòng)系中傳遞動(dòng)力的重要部件，是與變速箱、驅(qū)動(dòng)橋一起將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳遞給車輪，使汽車產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力。傳動(dòng)軸由軸管、伸縮套和萬(wàn)向節(jié)等組成，一般均使用輕而抗扭性佳的合金鋼管制成。它是一個(gè)高轉(zhuǎn)速、少支承的旋轉(zhuǎn)體，因此它的動(dòng)平衡是至關(guān)重要的，一般傳動(dòng)軸在出廠前都要進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)，并在平衡機(jī)上進(jìn)行了調(diào)整。由于轉(zhuǎn)動(dòng)軸是汽車傳動(dòng)系統(tǒng)中非常重要的構(gòu)件，運(yùn)轉(zhuǎn)中的受力情況非常復(fù)雜，承受著剪切和扭轉(zhuǎn)等載荷的作用，易產(chǎn)生剪切和扭轉(zhuǎn)變形甚至產(chǎn)生裂紋或發(fā)生斷裂，且一旦失效后往往會(huì)造成嚴(yán)重的后果，引起其他重要機(jī)件的毀損［1］。因此，對(duì)該次事故中的傳動(dòng)軸斷裂原因進(jìn)行鑒定，以期還原事故真相，分清責(zé)任，化解社會(huì)矛盾。

1 檢驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1 車輛整體檢驗(yàn)

該車輛前傳動(dòng)軸（變速箱端）脫落，萬(wàn)向節(jié)叉斷裂，如圖1-2所示；該車輛后部損壞是后車追尾所致，包括后保險(xiǎn)杠破損，骨架變形，后保險(xiǎn)杠下導(dǎo)流板破損，后部隔熱板變形；未發(fā)現(xiàn)該車輛前傳動(dòng)軸存在明顯碰撞痕跡。

1.2 車輛前傳動(dòng)軸材質(zhì)檢驗(yàn)

該車輛前傳動(dòng)軸兩端萬(wàn)向節(jié)叉以及十字軸聯(lián)接部位如圖3所示，其中傳動(dòng)軸A側(cè)萬(wàn)向節(jié)叉有斷裂，與之相連的十字軸、滾針及十字軸套筒等均已缺失；B側(cè)萬(wàn)向節(jié)叉有嚴(yán)重磨損痕跡，但未斷裂，十字軸套筒有破損開裂，內(nèi)部滾針脫落。傳動(dòng)軸相關(guān)材質(zhì)及工藝信息由于委托人未能提供，只能根據(jù)以下檢驗(yàn)結(jié)果做相應(yīng)判斷。

1.2.1 外觀檢驗(yàn)

該車輛前傳動(dòng)軸A側(cè)聯(lián)接處萬(wàn)向節(jié)叉斷裂，且有明顯塑性變形，如圖4所示。B側(cè)聯(lián)接處萬(wàn)向節(jié)叉拆卸，

如圖5所示，可見十字軸兩側(cè)聯(lián)接部位均有損壞，萬(wàn)向節(jié)叉有磨損，十字軸套筒斷裂，斷口周圍無塑性變形。

1.2.2 斷口檢驗(yàn)

取A側(cè)萬(wàn)向節(jié)叉和B側(cè)十字軸套筒斷口試樣，可以看出，A側(cè)萬(wàn)向節(jié)叉斷口表面磨損極為嚴(yán)重，且斷口周圍有明顯的塑性變形。B側(cè)十字軸套筒斷口表面平齊，呈黃褐色，有氧化，斷口周圍無塑性變形，為典型的脆性斷裂。

取A側(cè)萬(wàn)向節(jié)叉及B側(cè)斷裂的十字軸套筒斷口試樣置于掃描電鏡下進(jìn)行斷口微觀形貌檢驗(yàn)。通過觀察發(fā)現(xiàn)A側(cè)斷裂的萬(wàn)向節(jié)叉斷口表面磨損嚴(yán)重，但在斷口局部區(qū)域可觀察到明顯的韌窩形貌，為典型的韌性斷裂，如圖6所示。通過觀察發(fā)現(xiàn)B側(cè)沿套筒壁厚方向的表面區(qū)域斷口為典型的沿晶與穿晶解理混合斷口，且以沿晶斷口為主，斷口表面有二次裂紋，并可觀察到“雞爪痕”，而套筒心部區(qū)域斷口為典型的穿晶解理斷口，即套筒為典型的脆性斷裂，如圖7-9所示。

1.2.3 金相組織檢驗(yàn)

取被鑒車輛前傳動(dòng)軸B側(cè)十字軸套筒試樣進(jìn)行金相組織檢驗(yàn)，可以看出，十字軸套筒表面組織與心部組織不同，表層組織為馬氏體，心部為鐵素體+貝氏體，各個(gè)區(qū)域組織均勻，見圖10-11。表層裂紋顯示出明顯的沿晶擴(kuò)展特征，裂紋毗鄰區(qū)域組織與未開裂部位表層區(qū)域組織無差別，見圖12。

1.2.4 微觀組織檢驗(yàn)

取該車輛前傳動(dòng)軸B側(cè)十字軸套筒金相試樣置于掃描電鏡下微觀組織檢驗(yàn)，套筒表層到心部的組織形貌見圖13-15，圖16可以看出表面裂紋為典型的沿晶形貌。

1.2.4 能譜分析

由于套筒材料材質(zhì)及牌號(hào)委托人未能提供，故需要對(duì)其進(jìn)行能譜分析見圖18-19，檢驗(yàn)結(jié)果顯示套筒材料為碳素鋼，沒有添加其它合金元素，表層碳含量明顯高于心部，可推斷套筒經(jīng)過滲碳表面處理。

1.2.5 顯微硬度檢驗(yàn)

取該車輛前傳動(dòng)軸B側(cè)十字軸套筒金相試樣進(jìn)行顯微硬度檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見表1，其表面馬氏體層維氏硬度可達(dá)到790，心部塊狀鐵素體組織平均維氏硬度為157，心部貝氏體組織平均維氏硬度為306。由于十字軸套筒表面經(jīng)過滲碳處理，使表面組織與心部組織明顯不同，進(jìn)行由表面到心部的硬度測(cè)試，測(cè)試點(diǎn)間距30-50μm，見圖17，檢驗(yàn)結(jié)果見表2，可以看出由表面到心部硬度逐漸降低，表面層硬化明顯。

表1　不同組織部位顯微硬度測(cè)試結(jié)果

表2　表面到心部顯微硬度測(cè)試結(jié)果（HV0.05）

2 分析與討論

1、根據(jù)該車輛前傳動(dòng)軸未發(fā)現(xiàn)明顯碰撞痕跡的檢驗(yàn)結(jié)果，可排除傳動(dòng)軸受到外力撞擊導(dǎo)致斷裂、脫落的可能性。

2、該車輛前傳動(dòng)軸B側(cè)十字軸套筒斷裂，在掃描電子顯微鏡下可見表面區(qū)域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，并可觀察到“雞爪痕”。其中，沿晶斷裂又稱晶間斷裂，它是多晶體沿不同取向的晶粒所形成的沿晶粒界面分離，即沿晶界發(fā)生斷裂。在通常情況下，晶界的鍵合力高于晶內(nèi)，斷裂擴(kuò)展的路徑不是沿晶而是穿晶斷裂，但如果熱加工工藝不當(dāng)，造成雜質(zhì)元素在晶界富集或沿晶界析出脆性第二相等因素出現(xiàn)時(shí)，晶界的鍵合力被嚴(yán)重削弱，在低于正常斷裂應(yīng)力情況下，被弱化的晶界成為斷裂擴(kuò)展的優(yōu)先通道而發(fā)生沿晶斷裂［2］。因此，在機(jī)械零部件中發(fā)生的沿晶斷裂均屬非正常斷裂情況。

3、由于該車輛前傳動(dòng)軸十字軸套筒材料材質(zhì)、牌號(hào)及加工工藝委托人均未能提供，所以對(duì)十字軸套筒沿晶斷裂的三種可能性（即：過熱過燒引起的脆性斷裂、第二相粒子沿晶界析出導(dǎo)致的脆性斷裂和氫引起的脆性斷裂）進(jìn)行分析。

（1）鋼件在熱加工過程中過熱、過燒將導(dǎo)致奧氏體晶粒粗大，晶界嚴(yán)重弱化甚至局部熔化，使得工件塑性和韌性急劇降低，在受力過程中將導(dǎo)致沿晶脆性斷裂。在開裂的傳動(dòng)軸十字軸套筒金相檢驗(yàn)過程中，并未發(fā)現(xiàn)組織粗大，不均勻，甚至晶界融化的現(xiàn)象，因此可排除由于過熱、過燒引起其脆斷的可能。

（2）鋼件在熱加工及熱處理過程中，如果形成了沿晶界分布的析出相，這將嚴(yán)重弱化晶界，使其在受力過程中裂紋沿晶界形成并擴(kuò)展，形成沿晶斷口形貌。但在十字軸套筒金相及掃描電鏡觀察過程中，未發(fā)現(xiàn)第二相沿晶界析出，裂紋附近亦未觀察到有局部的沿晶析出，因此可以排除第二相粒子沿晶界析出導(dǎo)致的脆性斷裂的可能。

（3）氫可引起工件脆性斷裂，侵入材料內(nèi)部的氫原子擴(kuò)散到陷阱處會(huì)結(jié)合成氫分子，形成氫分子時(shí)體積急劇增加產(chǎn)生極大的內(nèi)壓，當(dāng)壓力超過材料的強(qiáng)度極限時(shí)，將在該處形成裂紋核，進(jìn)而不斷擴(kuò)展。該車輛前傳動(dòng)軸十字軸套筒表面硬化層斷口為典型的沿晶與穿晶解理混合斷口形貌，以沿晶斷口為主，斷口表面有二次裂紋，并可觀察到“雞爪痕”，這些都符合氫致延遲斷裂的斷口特征。并且材料強(qiáng)度越高，其氫致延遲斷裂敏感性越高［2］，該車輛前傳動(dòng)軸十字軸套筒表面組織為馬氏體，維氏硬度達(dá)到790，具備了氫致延遲斷裂的組織條件。

綜上所述，該車輛前傳動(dòng)軸B側(cè)十字軸套筒的斷裂是沿晶斷裂，為氫致延遲斷裂，而氫應(yīng)為套筒生產(chǎn)（冶煉、酸洗、滲碳、電鍍等）環(huán)節(jié)引入。

3 結(jié)論

由于前傳動(dòng)軸A側(cè)萬(wàn)向節(jié)叉有斷裂，與之相連的十字軸、滾針及十字軸套筒等均已缺失，因此只能通過前傳動(dòng)軸B側(cè)聯(lián)接部位特征來推斷出現(xiàn)異常狀態(tài)的過程及原因。根據(jù)傳動(dòng)軸B側(cè)十字軸套筒為沿晶斷口形貌，可認(rèn)定傳動(dòng)軸A側(cè)十字軸套筒應(yīng)為整個(gè)傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)中的首斷件，在服役過程中發(fā)生脆斷后，導(dǎo)致了整個(gè)傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)受力失穩(wěn)，而斷裂的萬(wàn)向節(jié)叉在整個(gè)傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)中應(yīng)為被動(dòng)損壞件，是整個(gè)傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)受力失穩(wěn)后導(dǎo)致的局部載荷過大，超過其屈服強(qiáng)度而引發(fā)的過載斷裂。另外，前傳動(dòng)軸聯(lián)接部位出現(xiàn)異常狀態(tài)的原因也不排除十字軸與萬(wàn)向節(jié)叉間存在裝配誤差、十字軸與節(jié)叉之間的軸承存在異常故障等情況。

綜上所述，該車輛由于質(zhì)量問題導(dǎo)致其前傳動(dòng)軸在車輛正常行駛過程中發(fā)生斷裂、脫落。

［1］ 李瑩，劉高遠(yuǎn)，張立新.某汽車車輪半軸斷裂失效分析［J］.失效分析與預(yù)防，2007，5（2），40-44.

［2］ 鐘群鵬， 趙子華. 斷口學(xué)［M］.北京∶高等教育出版社，2005∶2-12.

王崢，工程師，碩士，材料加工工程， 郵箱：sjzwangzheng@163.com

Identification based on the failure analysis of automobile transmission shaft fracture

Wang Zheng，Wang Fangming，Gu Yangyang，Zhang Yuan
（China Automotive Technology & Research Center，Tianjin300300，China）

For example， there is a motor vehicle which triggers off a traffic accident on the expressway when the transmission shaft cracks and falls offsuddenly. In order to investigate the cause of the accident， distinguishing the responsibilities， there is a need to undertake identification on the reason of transmission shaft fracture and provideimportant legislative foundationin court. First of all， we need to examine the vehicle overall， and then carry out macro and micro analysis on the transmission shaft fracture. Next，after testing the chemical composition， microstructure and hardness， the test results show that the fractureon cross-shaft-sleeve is intergranular fracture. After further analysis， it is the hydrogen-induced delayed crackleads to the whole transmission shaft structural instability， concluding that the cross-shaft-sleeve should be the first break part in the transmission shaft structure. Meanwhile， the fracture damage of universal joint fork should be passive， it forms after the transmission shaft lose its structural balance and local load exceeds its yield strength by overloading.

Fracture failure； transmission shaft； failure analysis； identification