汽車三柱槽殼斷裂失效分析

謝宇，張仲榮，李明賀

(中汽研汽車檢驗中心(天津)有限公司，天津 300300)

0 引言

三柱槽殼是汽車等速萬向節(jié)的重要部件之一，屬于杯-桿型鍛件，主要起著傳遞扭矩的關(guān)鍵作用，工作時承受復(fù)雜的交變載荷[1-2]。大量的實踐表明，三柱槽殼發(fā)生早期故障時主要出現(xiàn)球道剝落、三叉節(jié)軸頸表面剝落、桿部斷裂等失效情況，導(dǎo)致失效的主要原因有：材質(zhì)不達標(biāo)、加工和熱處理工藝不完善、萬向節(jié)圓周間隙[3]、超負(fù)荷下運轉(zhuǎn)的壓陷 、磨損[4]、接觸疲勞[2]等。

文中失效件三柱槽殼材料為CF53，零部件加工工藝：三柱槽殼毛坯經(jīng)過溫鍛和冷擠而成；球道先經(jīng)過冷擠再經(jīng)熱處理；桿部和防塵罩槽處機加工；桿部軋花鍵，桿部和球道部位再經(jīng)感應(yīng)淬火；密封擋和軸承擋磨加工。針對該失效件，采用微觀組織觀察、硬度分析、元素分析等多種手段對導(dǎo)致失效斷裂的原因進行了分析，并為該批產(chǎn)品改進質(zhì)量避免類似情況再次發(fā)生提供參考。

1 試驗材料及方法

失效構(gòu)件三柱槽殼為CF53號優(yōu)質(zhì)碳素鋼，為了分析其在耐久過程中早期斷裂失效的原因，采用肉眼和體式顯微鏡對輪輻斷口進行宏觀形貌觀察；采用掃描電子顯微鏡(SEM)對微觀形貌進行觀察；采用蔡司金相顯微鏡對金相組織進行分析；采用維氏硬度試驗機對淬化硬層硬度進行測試；采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜(ICP)對化學(xué)成分進行分析。

2 試驗結(jié)果

2.1 宏觀形貌分析

三柱槽殼的斷裂失效件如圖1所示，斷裂位置為靠近槽口上半部分，無明顯的變形，見圖1(a)；在圖1(b)的斷口上明顯看出，上下兩段均存在芯部的瞬斷區(qū)與芯部外圍的疲勞擴展區(qū)，疲勞區(qū)域有明顯的疲勞弧線，疲勞面磨損嚴(yán)重，芯部瞬斷區(qū)呈韌性斷裂的特征。

進行宏觀形貌分析，斷裂位置及外觀見圖1。

圖1 三柱槽殼斷口的宏觀形貌

2.2 微觀形貌分析

對斷口的圖1(c)所標(biāo)注的1～4個位置進行低倍顯微分析，如圖2所示。在芯部靠近的位置1和位置3，為疲勞區(qū)域，低倍下不甚明顯。

圖2 斷口低倍顯微形貌

在桿部靠近外圍的位置2和位置4平面處明顯有較大的臺階區(qū)域，為斷裂擴展交匯，斷裂過程中發(fā)生塑形變形較大，芯部斷裂為最終斷裂區(qū)域。

在高倍SEM下，位置1和位置3的形貌如圖3所示，由圖可見有明顯的疲勞斷裂開裂的特征，擴展方向與扭轉(zhuǎn)應(yīng)力方向垂直，初步判斷為斷裂起始位置。

圖3 斷口高倍微觀形貌

2.3 金相組織分析

在完成宏觀的形貌分析和SEM分析后，從靠近三柱槽殼的斷口截面進行截取樣塊、磨制、機械拋光、4%的硝酸酒精腐蝕，然后在金相顯微鏡下觀察組織，如圖4所示，在圖4(a)位置左下角有裂紋一處，為失效件上的卡簧槽拐角處自帶，不能確定是否斷裂萌生產(chǎn)生，該裂紋應(yīng)不是產(chǎn)生斷裂的因素；圖4(b)顯示基體的金相組織呈明顯的針狀馬氏體，并伴隨少量殘余奧氏體。按照J(rèn)B/T 9204—2008《鋼件感應(yīng)淬火金相檢驗》[5]評定該基體顯微組織為5級細(xì)馬氏體。圖4(c)為芯部組織基體為細(xì)片珠光體+鐵素體(部分鐵素體有網(wǎng)狀特征)。

圖4 試樣的金相組織形態(tài)

2.4 硬化層深度與硬度分析

對卡簧槽(位置1)和圓柱截面(位置2)兩個代表性位置區(qū)域采用維氏硬度儀進行淬硬層的硬化層深度分析，分析結(jié)果如圖5所示。按照技術(shù)規(guī)范要求：在顯微硬度值不小于550HV時，淬硬層的硬化深度為2.5～5.0 mm。根據(jù)測算結(jié)果，所分析兩個樣塊的位置1和位置2的2個硬化層深度分別是深度范圍在3.0和4.6 mm，表明淬硬層深度滿足技術(shù)規(guī)范2.5～5.0 mm要求。但位置1淬透性深度明顯低于位置2，在5.0 mm處對于卡簧槽(位置1)的硬度已經(jīng)下降到300HV以下，與位置2的硬度(470HV)差異較大，說明該產(chǎn)品在進行表面熱處理過車中，存在明顯的淬硬深度不均勻的現(xiàn)象。

圖5 淬硬層硬度-深度測試曲線

采用洛氏硬度儀對斷裂的三柱槽殼的桿部組織進行洛氏硬度分析，隨機測試6個點的結(jié)果如表1所示，其中表面和芯部的硬度值分別為61HRC和28HRC，均滿足技術(shù)規(guī)范要求。

表1 基體洛氏硬度分析結(jié)果 HRC

2.5 化學(xué)成分分析

在斷裂試樣上取樣溶解，進行ICP化學(xué)成分分析，結(jié)果參見表2，由表2結(jié)果可知該失效件的化學(xué)成分：C、Si、Mn、P、S、Cr、Ni、Cu元素含量符合技術(shù)要求。

表2 基體化學(xué)成分分析結(jié)果 %

2.6 卡簧槽處圓角尺寸

對卡簧槽處加工圓角尺寸測量，如圖6所示，圓角半徑R測試值為0.40 mm，技術(shù)要求(0.3±0.1) mm，加工圓角尺寸基本符合要求，但處于上限，且圓角處有明顯突起(高低不平)。

圖6 卡簧槽的圓角加工尺寸

3 分析與討論

對三柱槽殼斷裂件的宏觀組織、微觀組織、表面淬硬層深度、元素成分進行分析，材料本身符合技術(shù)要求。

宏觀和微觀形貌分析，失效位置起于表面到1/3處的區(qū)域。失效界面呈現(xiàn)有疲勞源區(qū)、擴展區(qū)、瞬斷區(qū)的特征。

產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范未對原材料金相組織及供貨狀態(tài)進行規(guī)定，在金相組織中觀察到該樣件的芯部微觀組織為鐵素體+珠光體，該種組織的不耐受載荷特別是交變載荷。由組織結(jié)果表明該產(chǎn)品在生產(chǎn)加工過程中未對原材料進行調(diào)質(zhì)處理，直接進行加工及最終熱處理，因此產(chǎn)品質(zhì)量在一定程度上受到原材料組織遺傳的影響。

產(chǎn)品在加工工藝控制中，過渡圓角要求為(0.3±0.1) mm，該數(shù)值設(shè)計定義在表面硬度較高(超過550HV)的樣品上的適用性有待驗證。另外產(chǎn)品加工過程中，圓角表面截面存在明顯起伏，加大了應(yīng)力集中的風(fēng)險，容易產(chǎn)生裂紋。

4 優(yōu)化措施

為了避免該種失效后續(xù)發(fā)生，提出以下優(yōu)化措施：

(1)對符合材質(zhì)要求的原材料，在冷加工后進行整體調(diào)質(zhì)處理，調(diào)制后的芯部硬度控制在35HRC以內(nèi)，將產(chǎn)品芯部用回火索氏體組織替代鐵素體+珠光體的原始組織，細(xì)化奧氏體晶粒，提高產(chǎn)品韌性，消除原材料組織遺傳對產(chǎn)品品質(zhì)的影響。將原材料組織、供貨的狀態(tài)要求納入技術(shù)考核范疇，對于存在過熱或不良組織遺傳的原材料，增加改善組織的處理工藝。

(2)改善熱處理工藝時，不僅僅規(guī)定淬硬層的硬度及深度，還需增加對淬硬深度均勻性的要求，防止淬硬層深度不均造成應(yīng)力集中并引發(fā)裂紋，將淬硬層的均勻性考核要求納入技術(shù)范疇。

(3)產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范中除了規(guī)定設(shè)計圓角的尺寸要求外，應(yīng)增加表面粗糙度要求，減少加工表面造成的高低不平，避免應(yīng)力集中和磨損。

5 結(jié)論

(1)該三柱槽殼斷裂失效存在明顯的疲勞斷裂特征。

(2)該樣件桿部的組織為細(xì)片珠光體+鐵素體(部分鐵素體有網(wǎng)狀特征)，遺傳了原材料的組織，抗載荷能力低，不適合應(yīng)用在循環(huán)交變載荷的工況下，造成了失效的主因。建議對原材料組織進行調(diào)質(zhì)處理，芯部應(yīng)達到回火索氏體可提高產(chǎn)品韌性。

(3)建議改進樣件的熱處理工藝，提高淬硬深度的均勻性，把淬硬深度均勻性納入產(chǎn)品考核指標(biāo)，提高相同截面深度上的組織均勻性，減少組織內(nèi)應(yīng)力。還應(yīng)改善樣件的加工工藝，提高過渡圓角的加工質(zhì)量，提高產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)粗糙度要求，減少應(yīng)力集中。