半軸斷裂分析及建議策略

王彬 梁會雷 李玉新 李平平 梁雪東 李雪峰

摘 要：材質(zhì)為40Cr的汽車半軸使用一段時(shí)間后發(fā)生斷裂，通過宏觀分析、微觀分析、化學(xué)成分、金相組織等手段入手，對半軸斷裂原因進(jìn)行分析。結(jié)果表明，半軸的失效性質(zhì)為扭轉(zhuǎn)疲勞，疲勞源為淬火裂紋面，造成淬火開裂的根源則是制造工序安排不合理形成的中心孔根部應(yīng)力集中， 調(diào)整工序后此類問題再無發(fā)生。

關(guān)鍵詞：半軸;扭轉(zhuǎn)疲勞;淬火裂紋;預(yù)防措施

0 引言

汽車半軸是汽車傳動總成中的一個(gè)重要零件，是連接差速器與驅(qū)動輪之間傳遞扭矩的實(shí)心軸，其一端通過花鍵與半軸齒輪連接，另一端通過法蘭與輪轂連接。由于其特殊的工作條件，運(yùn)行過程中會承受磨損、沖擊、交變彎曲載荷和靜扭轉(zhuǎn)的作用。要求生產(chǎn)半軸的材料具有足夠的抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和較好的韌性[1]。通常采用40Cr、42CrMoH 等中碳合金鋼，經(jīng)適當(dāng)熱處理后，獲得強(qiáng)度、塑形和韌性的良好配合。

某公司生產(chǎn)的半軸材質(zhì)為40Cr，制造工藝為：下料-感應(yīng)加熱（1 150℃）-鐓粗-擺碾法蘭盤-打中心孔-調(diào)質(zhì)（850℃保溫1.5 h～2 h水淬，550℃～600℃回火2.5 h水冷）-拋丸-機(jī)加工-中頻淬火-校直-精車。使用情況如下，半軸整橋載荷5T，扭矩約14 000*0.6 N.m，行駛15 168公里，斷裂10根，同批次共70根。

通過對斷裂半軸進(jìn)行宏觀檢驗(yàn)和電鏡分析，結(jié)合半軸的金相組織、化學(xué)成分、熱處理工藝等進(jìn)行分析，確定造成其早期扭轉(zhuǎn)疲勞的根源是中心孔制造工序設(shè)置不合理形成的應(yīng)力集中，繼而引發(fā)的淬火裂紋所致，調(diào)整半軸制造工序后，此類問題再無發(fā)生，本文結(jié)論同樣可供類似產(chǎn)品借鑒參考。

1 宏觀形貌

圖1所示為半軸實(shí)物照片，斷裂發(fā)生于法蘭盤與軸的過渡部位，即變徑區(qū)域，該處具有應(yīng)力集中效應(yīng)。

圖2為半軸斷裂處宏觀形貌，根據(jù)斷口形貌可將斷面劃分為A/B/C/D四個(gè)特征區(qū)域，其中A為中心孔底面;B以A邊緣為源形成球形裂紋面;C以B為源發(fā)生二次擴(kuò)展，擴(kuò)展方向見圖中紅色虛線箭頭，該區(qū)域呈棘輪狀，具有扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂特征;D為瞬斷區(qū)，表面潔凈。

綜上，宏觀檢查顯示半軸表現(xiàn)為扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂，起裂部位是中心孔底部邊緣。

2 化學(xué)成分檢查

在送檢半軸斷口附近取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1所示，滿足GB/T 3077-2015技術(shù)要求。

3 微觀形貌檢查和能譜分析

將圖1中軸側(cè)斷口采用無水乙醇超聲清洗后放入掃描電鏡中觀察微觀形貌并進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖2和圖3所示：（1）A區(qū)域表面覆蓋一層較厚的氧化鐵皮;（2）B區(qū)域表面雖被輕微氧化，但依稀可看出沿晶形貌，具有應(yīng)力性開裂特征;（3）C區(qū)域表面潔凈無異物，未見氧化腐蝕跡象，為準(zhǔn)解理斷裂形貌，局部可見疲勞條帶;（4）D區(qū)微觀形貌以沿晶斷裂為主，這與表面采用感應(yīng)淬火工藝相符。

4 金相檢查

沿圖1中紅色虛線線切割取樣進(jìn)行金相檢查，結(jié)果如圖4～9所示：（1）中心孔底面覆蓋一層氧化物，表面組織為鐵素體，脫碳現(xiàn)象明顯，這是因?yàn)橹行目准庸び谡{(diào)制之前，因此在淬火保溫時(shí)表面發(fā)生脫碳;（2）B區(qū)表面呈弧形擴(kuò)展，尾部尖細(xì)，組織為回火索氏體，未見氧化脫碳跡象，具有淬火裂紋特征;（3）基體組織為回火索氏體+少量貝氏體，根據(jù)GB/T 13320評定調(diào)質(zhì)級別為3級，根據(jù)GB/T 6394評定奧氏體晶粒度約8級，感應(yīng)區(qū)組織為細(xì)針狀回火馬氏體。此外，基體硬度約29 HRC，感應(yīng)層表面硬度約60 HRC，均滿足技術(shù)要求（27 HRC～33 HRC;≥52 HRC）。

5 分析與討論

半軸在運(yùn)行過程中承受磨損、沖擊和周期性的扭轉(zhuǎn)負(fù)荷，工況相對復(fù)雜，由于材料缺陷、鍛造缺陷、熱處理缺陷和載荷等原因，往往會導(dǎo)致其發(fā)生早期失效。常見失效形式有磨損、彎曲變形、斷裂。斷裂失效有平齊斷裂、法蘭盤掉盤、花鍵扭斷、軸部45°剪切斷裂、棘輪狀斷裂等等[2]。

本文中所述半軸的斷口即呈棘輪狀扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂，疲勞源為原始淬火裂紋面，造成淬火開裂的原因主要是制造工序安排不合理所致，法蘭盤和軸過渡區(qū)（變徑位置）在淬火過程中本身為應(yīng)力集中區(qū)，而中心孔恰好位于該處。因此，將中心孔的加工放在調(diào)質(zhì)處理前進(jìn)行，將進(jìn)一步加大局部應(yīng)力集中程度，極易引發(fā)淬火致裂的風(fēng)險(xiǎn)，一旦產(chǎn)生淬火裂紋，服役過程中便以淬火裂紋面為源，在扭轉(zhuǎn)載荷作用下發(fā)生疲勞，造成半軸最終剪切斷裂[3]。

需要考慮的是，對于軸類零件而言，扭轉(zhuǎn)載荷的最大值由表及里順序減小，心部為零。但當(dāng)心部出現(xiàn)本文中這樣較大范圍的淬火裂紋時(shí)，即使該處扭轉(zhuǎn)載荷較小，也難免以此為源發(fā)生疲勞斷裂。

6 結(jié)論與建議

（1）半軸的失效性質(zhì)為扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂;

（2）疲勞源為半軸中部的淬火裂紋面;

（3）淬火裂紋的產(chǎn)生是因?yàn)橹行目赘繎?yīng)力集中所致。

建議優(yōu)化生產(chǎn)工序，將中心孔的加工由原來的調(diào)質(zhì)處理前加工改在之后進(jìn)行，可有效避免此類事故的再次發(fā)生。

參考文獻(xiàn)：

[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（2）：40-44.

[2]高為國，董麗君，胡鳳蘭，等.40Cr鋼汽車半軸淬火缺陷分析及熱處理工藝改進(jìn)[J].湖南工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，18（4）：33-36.

[3]岳峰，郭永林，紀(jì)仁峰.42CrMoH汽車半軸靜扭斷口分析[J].熱處理技術(shù)與裝備，2017，38（5）：58-61.