某車型半軸斷裂失效分析

蘇安喜 宋文強(qiáng) 向冤梅 吳錫華 曾桂蓮 何萬(wàn)珣

摘 要：汽車半軸是汽車驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu)中非常重要的部件，起著動(dòng)力傳遞、改變轉(zhuǎn)速聯(lián)結(jié)的重要作用，如果出現(xiàn)斷裂失效會(huì)導(dǎo)致非常嚴(yán)重的后果。針對(duì)某車型開發(fā)試驗(yàn)中半軸在極限保壓試驗(yàn)過程中發(fā)生斷裂的問題，通過宏觀斷口分析、微觀斷口分析、硬度檢測(cè)、金相分析查找出了導(dǎo)致半軸斷裂的原因。分析結(jié)果表明：斷口為韌性斷口，微觀形貌為沿晶斷裂和韌窩形貌，顯微組織外圈為回火馬氏體，心部組織為珠光體和鐵素體，主要斷裂原因是半軸受外力扭轉(zhuǎn)過載導(dǎo)致斷裂失效。另外，芯部存在帶狀組織和網(wǎng)塊狀鐵素體，在一定程度上降低了晶界的結(jié)合強(qiáng)度，促進(jìn)了半軸的斷裂。帶狀組織可能是鑄造過程中合金偏析造成的，且未經(jīng)過正火消除。網(wǎng)塊狀鐵素體可能是半軸在熱處理時(shí)淬火溫度過高或保溫時(shí)間過短或冷卻速度過快形成的。

關(guān)鍵詞：汽車半軸 斷口分析 金相分析

Abstract：Half Shaft is a very important part of the vehicle drive axle， which plays an important role in power transmission and changing the speed connection. If fracture failure， it will lead to very serious consequences.Aiming at the problem that the half-shaft fracture occurred in the process of the ultimate pressure holding test in the development test of a certain vehicle model， the cause of the half-shaft fracture was found out through the Macroscopic fracture analysis， Microscopic fracture analysis， hardness detection and metallographic analysis analysis.The results show that the fracture is ductile， the microstructure is intergranular fracture and dimplex morphology， the outside of microstructure is tempered martensite， and the inside microstructure is pearlite and ferrite. The main reason for the fracture failure is torsional overload caused by external force on the half-axis.In addition， There are banded structures and massive ferrites in the interior， It reduces the binding strength of grain boundaries to a certain extent and promotes the fracture of the semi-axis.The banded structure may be caused by alloy segregation in the casting process， and it has not been normalized.The bulk ferrite may be formed by high quenching temperature or short holding time or too fast cooling rate during heat treatment.

Key words：automobile axle fracture analysis Metallographic analysis

1 前言

某車型的汽車半軸在主機(jī)廠內(nèi)進(jìn)行非常規(guī)極限破壞保壓試驗(yàn)時(shí)，檢測(cè)人員連續(xù)加大油門，與此同時(shí)讓卡鉗處于未釋放的鎖止?fàn)顟B(tài)。在三次踩踏油門后，聽到發(fā)動(dòng)機(jī)艙有異響發(fā)生，且有明顯打齒的聲音。經(jīng)過初步檢查未發(fā)現(xiàn)異常，檢測(cè)人員重新準(zhǔn)備測(cè)試車輛。當(dāng)車輛起步時(shí)，出現(xiàn)異常頓挫。隨后檢測(cè)人員把車輛移至舉升機(jī)，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)半軸發(fā)生斷裂。斷裂位置處于花鍵一側(cè)，分裂為剩余半軸、花鍵、以及半軸碎片Ⅰ和半軸碎片Ⅱ。由于是極限工況測(cè)試，發(fā)生的意外斷裂本身存在潛在可能性。試驗(yàn)?zāi)康闹皇切枰页鰸撛谑г颍瑸楹笃陂_發(fā)提供研發(fā)思路。斷裂的半軸部分如圖1所示。

2 斷口分析

2.1 宏觀斷口分析

2.1.1 斷掉的半軸部分為花鍵，由于半軸部分被磨損為光滑面，不利于分析斷裂原因，因此選取花鍵部分進(jìn)行宏觀的斷口形貌分析。使用Leica Dec295體式顯微鏡觀察斷口。如圖2，可以看出在斷裂截面上從外到內(nèi)組織層次分明，外部有明顯金屬光澤，略有反光。內(nèi)部韌性斷裂痕跡明顯，未見明顯缺陷，斷裂方向呈順時(shí)針方向，見圖2黃色箭頭。斷口有明顯的扭轉(zhuǎn)撕裂痕跡。斷裂源處于花鍵外圓，向中心擴(kuò)展。于此同時(shí)未見白點(diǎn)、夾雜、折疊等其他可見缺陷。

2.1.2 圖3為斷裂半軸與圖1花鍵中間掉的碎片，共2塊小碎片，為半軸碎片Ⅰ和半軸碎片Ⅱ?？膳c花鍵端嚙合但不能完全嚙合成軸狀，可能還有碎片在斷裂失效時(shí)磨損或丟失。進(jìn)行宏觀斷口觀察，半軸碎片Ⅰ和半軸碎片Ⅱ外表面都有擦傷痕跡，是半軸帶動(dòng)花鍵在高速旋轉(zhuǎn)中，強(qiáng)行被中止摩擦產(chǎn)生的，該痕跡與半軸磨平部位形貌能夠相互印證，于此同時(shí)未見白點(diǎn)、夾雜、折疊等其他可見缺陷。

2.1.3 疲勞斷裂一般是從工件表面應(yīng)力集中處或材料缺陷處發(fā)生的。在實(shí)際疲勞斷裂失效中，一般具備應(yīng)力狀態(tài)特征、斷口宏觀形貌特征和微觀形貌特征三者之一。[1]從宏觀形貌上看，半軸斷裂部位、半軸碎片Ⅰ和半軸碎片Ⅱ未發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋、疲勞臺(tái)階、線痕的方向、疲勞弧線、疲勞溝線等疲勞特征，不具備疲勞源。

2.2 微觀斷口分析

2.2.1 使用掃描電鏡觀察半軸花鍵端，掃描位置見圖4中A1、A2、A3。另外使用掃描電鏡觀察圖3中的半軸碎片Ⅰ和半軸碎片Ⅱ的微觀形貌。

2.2.2 圖5至圖7為分別為半軸A1、A2、A3部位的微觀形貌。圖中可以看出明顯的沿晶斷裂和韌窩。半軸花鍵與宏觀斷口的形貌相互印證，屬于韌性斷裂。

2.2.3 圖8、圖9為半軸碎片Ⅰ和半軸碎片Ⅱ的微觀形貌，也具有明顯的沿晶斷裂及韌窩形貌。

2.3 硬度檢測(cè)

使用洛氏硬度計(jì)TH320檢測(cè)半軸斷口的洛氏硬度，見表1。從硬度上看，半軸的洛氏硬度符合產(chǎn)品要求。排除因硬度不足造成失效的可能性。

3 金相組織

3.1 試樣的制備

金相試樣磨面的尺寸通常150mm2～400mm2之間。一般情況下，磨面越大，試樣高度越低，穩(wěn)度越大，越有利于對(duì)試樣的平穩(wěn)控制。通過切割樣件、鑲嵌試樣、粗磨、細(xì)磨、拋光等試驗(yàn)制備工序制成金相樣品，然后經(jīng)過4%的硝酸酒精侵蝕制成待測(cè)試樣。

3.2 組織分析

3.2.1 使用ZEISS AIO IMAGER-M1正置式顯微鏡觀察金相組織。圖10、圖11是半軸花鍵部位外圈組織，為回火馬氏體。有明顯馬氏體板塊晶粒形態(tài)存在。

3.2.2 圖12、圖13分別為心部100X、400X金相圖。心部組織為顆粒狀或聚集形成的片狀形態(tài)的珠光體和網(wǎng)狀分布的鐵素體。由圖12可以看到片狀的珠光體呈現(xiàn)帶狀分布，碳元素分布不均。

4 分析與討論

4.1 材料設(shè)計(jì)及試驗(yàn)工況的問題

經(jīng)過調(diào)查，該半軸材料為55#與40Cr聯(lián)結(jié)構(gòu)成，而斷裂部分的半軸為55#鋼。40Cr鋼是常用的中碳低合金高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)鋼，其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及淬透性等指標(biāo)均優(yōu)于55鋼，應(yīng)用十分廣泛，汽車行業(yè)半軸普遍選用40Cr。半軸在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，經(jīng)常出現(xiàn)沖擊載荷，還可能出現(xiàn)偶然的不正常運(yùn)轉(zhuǎn)引起的超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，選材涉及應(yīng)選擇安全系數(shù)較大的情況。按公司相關(guān)設(shè)計(jì)要求，半軸的設(shè)計(jì)峰值扭矩要超過實(shí)際結(jié)合動(dòng)載扭矩極限的2倍多。該選材設(shè)計(jì)思路是部分半軸使用55#鋼替代40Cr從而減少成本，然而事實(shí)證明兩端的材料強(qiáng)度極限不一致，在極限情況下會(huì)增大了斷裂風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致失效。試驗(yàn)工況是極限非常規(guī)測(cè)試，目的是為了驗(yàn)證傳動(dòng)系統(tǒng)的薄弱點(diǎn)以及驗(yàn)證替代材料對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響，試驗(yàn)本身的斷裂潛在風(fēng)險(xiǎn)就非常高。

4.2 對(duì)半軸花鍵斷口的分析

從宏觀斷口上看，半軸外圈有明顯的撕裂痕跡和擴(kuò)展痕跡。斷裂源處于外圈，逐步向心部擴(kuò)展，無(wú)明顯腐蝕特征，整體可見扭轉(zhuǎn)型塑性變形特征。從掃描電鏡微觀形貌觀察，半軸花鍵的A1、A2、A3部位都是沿晶斷裂及韌窩，且半軸碎片Ⅰ和半軸碎片Ⅱ也是沿晶斷裂及韌窩，表明半軸花鍵部位斷裂為扭轉(zhuǎn)型過載斷裂。[2]半軸在進(jìn)行非常規(guī)極限破壞保壓試驗(yàn)時(shí)，由于檢測(cè)人員連續(xù)加大油門增加輸出扭矩，又使卡鉗處于鎖止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)半軸承受相當(dāng)強(qiáng)烈的沖擊載荷，最終達(dá)到半軸強(qiáng)度脆弱部分的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度極限，從而導(dǎo)致斷裂失效。

4.3 熱處理的問題

經(jīng)過調(diào)查，該半軸失效部分工藝為：機(jī)加工后經(jīng)過840℃淬火和185℃低溫回火，保溫時(shí)間90min。從工藝上看屬于普通碳素鋼淬火加低溫回火工藝。由圖12、圖13看出，半軸淬火實(shí)際的溫度可能較高，高溫保溫時(shí)間可能較短，冷卻較快形成網(wǎng)狀的鐵素體。理論上來(lái)講加熱溫度過高會(huì)導(dǎo)致奧氏體晶粒長(zhǎng)大，淬火降溫時(shí)，45#鋼的淬透性不足，芯部相當(dāng)于只經(jīng)受了一次正火處理，且因?yàn)闇囟炔蛔?，甚至無(wú)法獲得正火組織的性能[3]。從圖12可以看出，珠光體與鐵素體呈帶狀分布。鐵素體－珠光體帶狀組織也稱為二次帶狀組織或者“顯微組織帶狀”，影響帶狀組織的因素很多，但是帶狀程度主要取決于合金元素的枝晶偏析、連續(xù)冷卻的冷卻速度以及奧氏體晶粒大小。一般認(rèn)為，錳的偏析是鋼中產(chǎn)生帶狀組織的主要原因。帶狀組織會(huì)造成鋼材的各向異性，使鋼材的沖擊韌性、塑性、可切削性變差，還會(huì)增大氫致開裂傾向，通常帶狀組織可以通過正火予以消除。

5 結(jié)論及建議

5.1 失效半軸的斷裂分為2個(gè)階段，第一階段為半軸花鍵受外力超出扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度極限產(chǎn)生斷裂源；第二階段為斷裂源向內(nèi)部中心擴(kuò)展最終產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)型過載斷裂。由于是開發(fā)試驗(yàn)過程中的極限測(cè)試，斷裂破壞屬于正常情況。

5.2 半軸設(shè)計(jì)選材不合適，碳素鋼淬透性差，外部與內(nèi)部組織不均勻，整體強(qiáng)度、韌性及沖擊韌性都會(huì)受到影響。結(jié)合汽車半軸實(shí)際工況，建議設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)先使用合金鋼。

5.3 熱處理不當(dāng)導(dǎo)致出現(xiàn)不合格組織是誘因。在半軸熱處理過程中，淬火加熱溫度過高、保溫時(shí)間過短或者冷卻過快，鐵素體呈網(wǎng)狀分布，從而使半軸性能下降。另外，加工原材料的帶狀組織雖不是致半軸斷裂的主要原因，卻對(duì)半軸的綜合性能有一定影響。建議要嚴(yán) 格要求供應(yīng)商在原材料檢驗(yàn)以及熱處理過程中的質(zhì)量控制。

參考文獻(xiàn)：

[1]李海明．40Cr鋼汽車半軸斷裂原因分析[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè)，2016（08）：589-593.

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[3]蔡珍，黃運(yùn)華，張躍，劉靜.冷卻速度對(duì)鐵素體-珠光體帶狀組織的影響機(jī)制.[J].鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2012（06）：25-30.