汽車半軸斷裂失效分析

歐長高、李普同、萬克仁

（江西江鈴底盤股份有限公司，撫州 344000）

0 引言

某汽車后橋半軸，材料為40Cr，機加工后經(jīng)過中頻淬火、低溫回火處理。該半軸在依據(jù)QC/T 293-1999《汽車半軸臺架試驗方法》進行扭轉疲勞試驗時發(fā)生斷裂，斷裂位置位于花鍵和軸的交匯處。整個斷面與軸線方向呈45°角，同時在花鍵一側，可見一個花鍵齒發(fā)生斷裂。斷裂時循環(huán)周次為14.5 萬次（目標為≥30 萬次），屬于較嚴重的早期失效。為找出失效原因，避免再發(fā)生此類事故，對該半軸進行了失效分析（圖1）。

圖1 斷裂的半軸

1 理化檢驗

1.1 宏觀斷口分析

對花鍵部分宏觀形貌進行觀察，整個花鍵部分有多條45°方向的裂紋（圖2a）。這些裂紋也和軸線方向呈45°角，是第一部分斷口的延續(xù)，從軸的扭轉裂紋擴展到花鍵上的。花鍵上有一條裂紋沿花鍵齒底與扭轉疲勞斷口的斷裂源連接，是本次著重需要分析的裂紋，將其編號為1號花鍵。有一部分花鍵齒已經(jīng)發(fā)生斷裂，將其編號為2 號花鍵；有一條裂紋沿花鍵齒頂，將其編號為3 號花鍵。以下將分別對1 號、2 號和3 號花鍵進行分析。

對1 號花鍵的齒底裂紋進行觀察，可見1 號花鍵齒的嚙合區(qū)占整個嚙合面的2/3，嚙合受力點在齒腰的節(jié)圓處，在齒底形成最大的彎曲應力，其齒腰和齒底均已發(fā)生開裂。齒底裂紋和扭轉疲勞斷口的裂紋源相連，極有可能和扭轉斷口的疲勞起源有關，需要打開該斷口進行進一步的分析觀察。

打開1 號花鍵的斷口，齒的斷口分兩個區(qū)域，區(qū)域1 為裂紋起始區(qū)。裂紋起始源于齒根部，裂紋起始區(qū)可見明顯的一次臺階，每個臺階對應一個條痕狀缺陷。區(qū)域2呈剪切特征，為最后斷裂區(qū)。

對2 號花鍵的宏觀斷口及裂紋起始區(qū)進行觀察，可見2 號花鍵齒已經(jīng)斷裂。斷口較平齊，整個斷面疑似疲勞斷裂，但宏觀下未見明顯的疲勞弧線等特征。裂紋起源于花鍵的節(jié)圓處，在該花鍵的齒底，可見一條與軸線呈45°角的裂紋。該裂紋從扭轉疲勞斷口延伸而來，齒與扭轉疲勞斷口交匯處的斷面平坦，有氧化色（圖2b）。

圖2 1 號和2 號花鍵齒的宏觀斷口

對3 號花鍵的齒頂裂紋和嚙合區(qū)進行觀察。3 號齒的齒頂有一條明顯的裂紋，齒的嚙合區(qū)約占整個齒面的1/2，齒面上還有一條與軸線呈45°角方向的裂紋（圖3）。

圖3 3 號花鍵齒的宏觀斷口

對扭轉疲勞斷口附近3 個花鍵齒的分析結果表明，1 號花鍵齒的斷裂疑似為疲勞斷裂，裂紋起源于齒根條痕處，齒根條痕處為應力集中源。疲勞沿齒根往內部擴展，并和扭轉疲勞斷口發(fā)生交匯，但是從宏觀分析上暫且無法判斷，扭轉疲勞斷裂和1 號花鍵齒斷裂之間的關系。1 號花鍵齒斷裂的原因需要進一步分析。

2 號和3 號花鍵齒的宏觀分析結果表明，2 號花鍵齒斷裂疑似疲勞斷裂，裂紋起源于齒面的節(jié)圓處，并且和扭轉疲勞斷口發(fā)生交匯。3 號花鍵齒和2 號花鍵齒情況類似。因為2 號和3 號花鍵齒與扭轉疲勞交匯處并無疲勞起源的特征，可以初步判斷2 號和3 號花鍵齒的斷裂與半軸的扭轉疲勞斷裂無關，花鍵齒斷裂的原因也需要進一步確認。

1.2 微觀斷口分析

在掃描電鏡下對1 號花鍵齒斷口的微觀形貌進行觀察，其裂紋起源于齒底條痕狀缺陷處。裂紋起源區(qū)的微觀形貌特征為沿晶特征，沿晶面干凈新鮮，無明顯氧化特征。沿晶特征中夾雜著少量的疲勞特征，擴展區(qū)可見明顯的疲勞及二次裂紋特征。

在掃描電鏡下對2 號花鍵齒斷口的微觀形貌進行觀察，其裂紋起源于齒面節(jié)圓處。裂紋起始區(qū)的微觀形貌特征為干凈新鮮的沿晶特征，未見明顯的氧化形貌。擴展區(qū)為典型的疲勞特征及二次裂紋。

在掃描電鏡下對3 號花鍵齒斷口的微觀形貌進行觀察，其裂紋起源于齒面節(jié)圓處，其齒底的條痕狀缺陷處未發(fā)現(xiàn)任何的微觀裂紋?；ㄦI齒的微觀形貌特征見圖4所示。

圖4 花鍵齒的微觀形貌特征

在掃描電鏡下對其余花鍵齒根進行觀察，其余花鍵齒根均可見條痕狀缺陷，但是未見異常的裂紋、刀痕以及尖銳的R 角過渡等缺陷。局部存在的裂紋缺陷均是半軸扭轉疲勞斷口的延續(xù)裂紋，和花鍵齒的斷裂無關。

花鍵齒的微觀斷口的分析結果表明，花鍵齒的斷裂為疲勞斷裂，疲勞擴展區(qū)可見明顯的疲勞輝紋特征，其疲勞開裂的循環(huán)周次高于半軸斷口。但是1 號齒疲勞起源于齒底缺陷處，齒的疲勞斷口和半軸疲勞斷口相關聯(lián)。結合兩者的斷口綜合判斷，1 號花鍵齒斷裂早于半軸的斷裂。1 號花鍵齒齒根疲勞裂紋擴展到半軸區(qū)時，在半軸區(qū)表面形成裂紋缺陷，半軸自該缺陷處發(fā)生扭轉疲勞斷裂。

2 號齒裂紋起源于齒腰，3 號齒裂紋起源于齒頂附近，并且齒底未見任何微裂紋。可見2 號和3 號齒的斷裂與整個半軸的扭轉疲勞斷裂無關，是一個獨立的事件。極有可能是整個半軸發(fā)生開裂后，齒的嚙合異常造成的疲勞開裂或者崩齒。

由此看來，1 號花鍵齒的開裂原因是分析整個問題的關鍵。造成1 號花鍵齒疲勞開裂的可能原因是多種，如根部缺陷、嚙合異常、氫脆、回火淬以及低強度等。但是從斷口分析結果可以排除氫脆和回火脆的可能，因為微觀斷口上沒有氫脆和回火脆的特征。分析的方向集中在根部缺陷（如刀痕、R 角過渡、原始裂紋和脫碳等）或者嚙合異常（從齒面嚙合痕跡判斷，可能性極大）。

1.3 能譜分析

對1 號花鍵齒裂紋起始區(qū)和齒底分別進行能譜分析，結果如圖5所示。裂紋起始區(qū)能譜結果正常，斷面新鮮，無任何氧化特征。齒底有輕微氧化，能譜結果也無異常。能譜分析結果可以排除花鍵在制造工藝過程中存在先期裂紋的可能。

圖5 花鍵裂紋源區(qū)能譜分析

1.4 花鍵齒金相分析

垂直于軸向切取1 號、2 號和3 號花鍵進行金相分析。

其中1 號花鍵齒齒腰也有裂紋，且裂紋已經(jīng)快擴展到齒根，齒底也可見明顯的裂紋。齒根裂紋起始區(qū)未見任何宏觀夾雜，也未見脫碳、非馬氏體組織，以及異常的R 角過渡等問題。2 號花鍵齒和3 號花鍵齒斷裂的位置相似。

2 號和3 號花鍵齒都從節(jié)圓處起始，裂紋起始區(qū)均未見任何宏觀夾雜、脫碳和非馬氏體組織等缺陷，齒根也都未發(fā)現(xiàn)顯微裂紋。按照標準GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》對整個齒面進行夾雜物評級，未見A、B、C 類夾雜，D 類夾雜約0.5 級，花鍵齒部的夾雜無異常。

花鍵齒部的金相分析結果表明，只有1 號花鍵齒底部存在裂紋，其他花鍵齒底部均未發(fā)現(xiàn)裂紋，花鍵齒的表面未發(fā)現(xiàn)異常的夾雜、脫碳及非馬氏組織等缺陷。齒根唯一的缺陷是存在條痕，盡管齒底條痕會造成一定的應力集中，使疲勞裂紋優(yōu)先從此處萌生。但是從金相分析結果判斷，條痕缺陷在各齒底部均存在，只有1 號齒裂紋叢此處起源，而且1 號齒的金相上，另外一條裂紋起源于條痕缺陷的下方。所以綜合判斷，條狀缺陷不是導致齒底開裂的主要原因。而且可以排除齒根存在脫碳、夾雜及非馬氏體組織等缺陷，從而造成花鍵斷裂的可能。

2 失效原因分析

2.1 對花鍵斷口分析

對花鍵端口綜合分析結果表明，1 號花鍵的斷裂為疲勞斷裂。疲勞起源于齒底條痕處，裂紋源微觀形貌特征為沿晶，但是并沒有發(fā)現(xiàn)氫脆、回火脆的特征，而且沿晶區(qū)也可看到疲勞形貌?？梢耘袛啵诹鸭y起源于齒底表層，因為表面進行了感應淬火處理，淬火硬化層在復雜的應力條件下出現(xiàn)沿晶疲勞形貌是正常的?；ㄦI的疲勞斷裂和表面硬化層的熱處理無關。

2.2 花鍵斷裂源區(qū)能譜及金相分析

通過對花鍵斷裂源區(qū)能譜及金相分析，可以排除花鍵齒根存在脫碳、折疊、夾雜以及原始裂紋等其他缺陷的可能。所以結合花鍵齒嚙合痕跡分析結果可以判斷，花鍵的斷裂是由于花鍵主要是齒頂嚙合，而不是在節(jié)圓處嚙合，這會使花鍵齒頂異常受力。

如果把整個齒比作一個杠桿，可以想象，齒頂受力會使力臂變長，那么在同樣力的作用下，齒頂受力時，施加到齒根的力矩會比節(jié)圓受力時大一倍。在這種高應力的情況下，容易從齒根條痕缺陷處發(fā)生疲勞萌生，甚至擴展至斷裂。

當疲勞裂紋擴展到半軸處時，在半軸上形成表面的應力集中，造成半軸在受扭轉應力時，從齒底裂紋處萌生裂紋，發(fā)生扭轉疲勞斷裂。這整個過程是一個快速的過程，條痕缺陷只是這個過程中的催化劑。它促進裂紋從1 號齒萌生擴展，而其他齒還來不及擴展，這就解釋了為何其他花鍵齒底沒有發(fā)現(xiàn)裂紋。

花鍵上其他幾條裂紋均從齒面節(jié)圓處起源，這些裂紋都是花鍵上獨立存在的，和整個半軸斷裂無關。經(jīng)過推斷這是半軸發(fā)生開裂后，花鍵的整個受力狀況發(fā)生變化，出現(xiàn)齒頂?shù)拇螨X和齒頂?shù)钠趧兟洹?/p>

2.3 花鍵部位金相及硬度分析

通過對花鍵金相及硬度的對比分析，結果表明失效花鍵的表面硬度和芯部硬度均偏低，表面金相組織分析結果也存在差異。這說明花鍵表面在感應淬火后的回火溫度可能過高，造成表面硬度的降低。對于軸類零件而言，軸的表面承受較大的扭轉應力，表面硬度的高低會直接影響其抗扭轉疲勞的性能。盡管這不是造成此次失效的主要原因，但是也應加強控制，避免表面硬度過低對半軸耐久壽命產(chǎn)生不利影響。

此外，齒底的條痕深度如果太深或者過渡不良，也會在一定程度上造成齒底的應力集中。盡管條痕狀缺陷不是造成此次失效的主因，如果控制不當，也有較大的危害。建議在加工后對齒底進行修磨，避免齒底出現(xiàn)過深的條痕狀缺陷。

3 結束語

（1）失效半軸的斷裂分為2 個階段，第一階段為花鍵根部出現(xiàn)彎曲疲勞裂紋并擴展；第二階段為花鍵根部彎曲疲勞裂紋形成并擴展到一定程度后，這一裂紋尖端最終成為扭轉疲勞的裂紋源，并以此產(chǎn)生扭轉疲勞致最終斷裂。

（2）花鍵齒根的開裂主要是因為花鍵發(fā)生齒頂?shù)漠惓Ш?，使齒根受力異常，導致花鍵沿齒根發(fā)生開裂。

（3）建議改善半軸疲勞試驗的方式，避免花鍵齒的齒頂局部嚙合。同時改進感應淬火后的回火工藝，保證半軸的表面硬度及芯部硬度符合技術要求。改善花鍵齒的加工工藝，避免過深或過陡的條痕缺陷出現(xiàn)。

所以綜合以上分析可知，造成此次半軸斷裂的主要原因是花鍵的嚙合不良造成花鍵齒頂異常受力。較大的彎曲力矩作用與花鍵的齒根，使裂紋從齒根條痕缺陷處萌生，擴展。當裂紋擴展至齒底時，在半軸表面產(chǎn)生應力集中，在扭轉應力作用下，使半軸發(fā)生扭轉疲勞斷裂。