汽車被動(dòng)帶輪軸斷裂原因分析

王其榮+黃陽(yáng)+林蔓+王堅(jiān)

摘 要：文章通過對(duì)斷裂失效件的汽車被動(dòng)帶輪軸外觀檢查，宏觀及微觀斷口分析，確定被動(dòng)帶輪軸斷裂性質(zhì)為高周疲勞斷裂。同時(shí)抽取完成長(zhǎng)試的被動(dòng)帶輪軸與斷裂失效件進(jìn)行冶金質(zhì)量、化學(xué)成分、微觀組織及硬度對(duì)比分析，找到了導(dǎo)致被動(dòng)帶輪軸斷裂的主要原因是螺紋底部存在明顯尖角，致使工作過程中疲勞裂紋萌生并擴(kuò)展。

關(guān)鍵詞：被動(dòng)帶輪軸；應(yīng)力集中；高周疲勞；斷裂

引言

汽車被動(dòng)帶輪軸（以下簡(jiǎn)稱失效件）工作過程中螺紋部位發(fā)生斷裂，被動(dòng)帶輪軸材料20CrMnTiH，最終熱處理狀態(tài)為滲碳淬火+回火，滲碳時(shí)螺紋部位進(jìn)行防滲處理，后經(jīng)高頻退火，硬度要求為320～450HV0.3。工作時(shí)帶輪軸螺紋部位承受軸向拉應(yīng)力。

1 冶金分析

1.1 外觀檢查

被動(dòng)帶輪軸斷裂位于螺紋一側(cè)，距軸頸端面約6mm，位于齒輪端一側(cè)的第四道螺紋處（螺紋根部），斷面與零件軸向基本垂直，局部放大觀察，斷裂部位存在輕微的軸向塑性變形，軸頸部位可見明顯的周向的摩擦痕跡。見圖1、圖2。

1.2 斷口分析

對(duì)被動(dòng)帶輪軸斷裂部位進(jìn)行斷口分析：斷面呈灰黑色，可見兩個(gè)明顯的平坦，平坦區(qū)占整個(gè)斷面面積約95%，見圖2。平坦區(qū)可見明顯的疲勞弧線和放射棱線，由疲勞弧線收斂的方向判斷，斷裂均起始于螺紋根部表面，起始位置可見明顯的疲勞臺(tái)階，未見冶金缺陷，呈線源特征。經(jīng)掃描電鏡觀察，斷口擴(kuò)展區(qū)微觀可見細(xì)密的疲勞條帶，見圖3。瞬斷區(qū)為韌窩特征。

1.3 金相剖切檢查

經(jīng)金相剖切檢查：失效件被動(dòng)帶輪軸螺紋根部可見明顯的尖角（應(yīng)力高度集中），長(zhǎng)試件被動(dòng)帶輪軸螺紋根部圓滑過渡，見圖4。零件脆性及塑性非金屬夾雜均為0.5級(jí)。經(jīng)腐蝕后觀察：失效件、長(zhǎng)試件螺紋處表面及心部組織基本一致，表面為滲層組織，心部為索氏體+大量貝氏體。

1.4 成分分析

經(jīng)化學(xué)定量分析，失效件與長(zhǎng)試件被動(dòng)錐齒輪化學(xué)成分基本相當(dāng)，均符合20CrMnTiH技術(shù)要求，結(jié)果見表1。

1.5 硬度檢測(cè)

經(jīng)顯微硬度檢查，失效件與長(zhǎng)試件被動(dòng)錐齒輪近表層硬度基本一致，均約為400HV0.3，均符合設(shè)計(jì)要求。心部硬度基本一致，均約為270HV0.3。

2 原因分析

2.1 斷裂性質(zhì)分析

經(jīng)宏觀及微觀斷口分析，失效件被動(dòng)帶輪軸斷面宏觀呈灰黑色，較平坦，可見明顯的疲勞弧線和放射棱線，擴(kuò)展區(qū)微觀可見明顯且細(xì)密的疲勞條帶，分析認(rèn)為該被動(dòng)大輪軸斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂。由疲勞弧線收斂的方向判斷，斷裂均起始于螺紋根部表面，起始位置可見明顯的疲勞臺(tái)階，呈線源特征，疲勞區(qū)約占整個(gè)斷面的95%（瞬斷區(qū)5%），該特征表明，疲勞起始過程承受的循環(huán)載荷相對(duì)較小，應(yīng)力集中影響較大，為典型的高周疲勞斷裂。

2.2 失效原因分析

通過冶金分析，失效件、長(zhǎng)試件被動(dòng)帶輪軸螺紋部位均未見早期的機(jī)加及熱處理缺陷，成分及表面硬度均符合設(shè)計(jì)要求。但失效件被動(dòng)帶輪軸螺紋根部可見明顯的尖角（應(yīng)力高度集中），長(zhǎng)試件被動(dòng)帶輪軸螺紋根部過渡相對(duì)失效件較為圓滑。綜合分析認(rèn)為，失效件被動(dòng)帶輪軸斷裂與其螺紋根部存在尖角，造成局部應(yīng)力高度集中，工作過程中螺紋根部尖角部位疲勞裂紋萌生并擴(kuò)展，最終導(dǎo)致被動(dòng)錐齒輪軸斷裂失效。

3 結(jié)論及建議

（1）失效件被動(dòng)帶輪軸斷裂性質(zhì)為高周疲勞斷裂，疲勞起始于螺紋根部表面。

（2）建議加強(qiáng)被動(dòng)帶輪軸螺紋根部加工質(zhì)量的控制，避免螺紋根部過渡區(qū)尖角現(xiàn)象。

參考文獻(xiàn)

[1]張棟，鐘培道，陶春虎，等.失效分析[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2004.