某型汽車轉(zhuǎn)向器輸出軸斷裂分析

沈 卓，柳榮華，梅朝君，張善慶

（1.江西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南昌 330012；2.江鈴股份有限公司，南昌 330001；3.北京航空材料研究院，北京 100095）

0 引言

轉(zhuǎn)向器是汽車轉(zhuǎn)向系中的減速增扭傳動裝置，其功用是增大方向盤傳到轉(zhuǎn)向節(jié)的力并改變力的傳遞方向，而轉(zhuǎn)向器輸出軸，在使用過程中主要承受汽車轉(zhuǎn)向時產(chǎn)生的反復(fù)扭轉(zhuǎn)力作用。某型汽車轉(zhuǎn)向器輸出軸在裝配汽車后行使320公里左右時發(fā)生斷裂，正常輸出軸使用壽命為60～100萬公里；由于使用壽命很低，故為早期非正常失效［1］。該零件材料為20CrMnTi，熱處理工藝過程為：表面滲碳→淬火→高溫回火，本文通過對零件的斷口進(jìn)行宏微觀觀察和化學(xué)成分檢測,并檢查了斷裂軸的金相組織和硬度，確定了零件的斷裂性質(zhì)，并對斷裂原因進(jìn)行了分析。

1 實驗過程及結(jié)果

1.1 斷口宏觀觀查

該零件的外觀形貌如圖1所示，整個零件完全斷開，斷口位于該零件光滑圓柱面和花鍵槽根連接的區(qū)域，斷面與軸向約呈45度，兩個對應(yīng)斷口的宏觀形貌如圖2所示，整過斷口呈扭轉(zhuǎn)過載斷裂特征［2］，斷口附近沒有明顯宏觀塑性變形特征，整個斷口基本上可分為3個部分，裂紋源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和終斷區(qū)（如圖3所示），兩個對應(yīng)斷口放射棱線的收斂方向為斷裂的源區(qū)位置，該斷口源區(qū)位于花鍵根部與光滑圓柱的交接處，如圖3、圖4箭頭所指，源區(qū)處未發(fā)現(xiàn)明顯的冶金缺陷及加工損傷等缺陷；擴(kuò)展區(qū)表面分布大量的放射棱線；終斷區(qū)有剪切唇存在，終斷區(qū)表面較光滑，顏色較亮（該區(qū)域位于滲碳層處，或因局部磨損而發(fā)亮）；斷口的宏觀形貌可以看出該斷口大部分區(qū)域表面粗糙顏色較深，從撕裂棱線所指示的位置看，圖2中可以看出右側(cè)斷口形貌和左側(cè)斷口形貌一致并一一對應(yīng)。

圖1 轉(zhuǎn)向器輸出軸的斷裂位置

圖2 斷口宏觀形貌

圖3 斷口宏觀形貌

圖4 斷口宏觀形貌

1.2 斷口微觀觀查

將右側(cè)斷口放入掃描電子顯微鏡下觀察，該斷口源區(qū)處的形貌如圖5所示，為沿晶+韌窩的形貌，在這個視場上還能看到3個球狀夾雜物，其直徑都小于10μm，在裂紋擴(kuò)展區(qū)的棱線附近為解理扇形花樣，棱線處為韌窩形貌，如圖6所示，這是兩個解理斷裂面在棱線處交匯產(chǎn)生的，最后斷裂區(qū)形貌如圖7所示，為沿晶+韌窩的形貌。

圖5 斷口源區(qū)形貌

圖7 斷口斷裂區(qū)形貌

1.3 硬度檢測

轉(zhuǎn)向器輸出軸表面硬度為58.6HRC，圖紙要求為58～63HRC；心部硬度為35.2HRC，圖紙要求為27～45HRC，故障件表面和心部硬度均符合圖紙要求。

1.4 滲碳層檢測

滲碳層深度為1.1mm，圖紙要求為1.0～1.5 mm，滲碳層深度符合圖紙要求。

1.5 金相組織觀察

轉(zhuǎn)向器輸出軸斷口附近滲碳層表面金相組織為：針狀馬氏體+殘余奧氏體（如圖8所示）。

心部金相組織為：鐵素體+回火索氏體（如圖9所示），心部組織正常，未發(fā)現(xiàn)粗大過熱現(xiàn)象。

按QC/T262-1999《汽車滲碳齒輪金相檢驗》[3]標(biāo)準(zhǔn)要求評定：殘余奧氏體級別為4級，要求1～5級，馬氏體級別為4級，要求1～5級。碳化物級別為1級，要求1～5級。

按ISO4967-1998《用標(biāo)準(zhǔn)圖譜評定鋼中非金屬夾雜物的顯微方法》[3]標(biāo)準(zhǔn)評定：非金屬夾雜物等級為H0.5、C0.5、DS0.5。

圖8 表面金相組織

圖9 心部金相組織

1.6 化學(xué)成分分析

在斷裂軸上取粉末試樣進(jìn)行化學(xué)成分檢測，檢測結(jié)果如表1所示。符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T3077-1999《合金結(jié)構(gòu)鋼技術(shù)條件》[4]20CrMnTi的技術(shù)要求。

表1 化學(xué)成分檢測結(jié)果（wt%）

2 結(jié)果分析與討論

1）該零件硬度符合圖紙要求，化學(xué)成分符合GB/T3077-1999要求，金相組織為正常的滲碳→淬火→高溫回火后的金相組織，從圖紙看出，該零件金相組織正常，且滲碳層深度、殘余奧氏體級別和碳化物級別滿足圖紙要求，從以上結(jié)果看，該零件材質(zhì)及熱處理工藝應(yīng)該沒問題。

2）該斷口源區(qū)處零件外表面未見加工刀痕與損傷痕跡，這基本可排除由于加工或者裝配不合理對零件的損傷。但是斷口源區(qū)位于花鍵根部與光滑圓柱的交接處,而花鍵根部尖銳沒有過渡圓角，易產(chǎn)生應(yīng)力集中，且又是滲碳層，對裂紋的形成起著一定的促進(jìn)作用。

3）該零件斷口上雖然發(fā)現(xiàn)有夾雜物存在，但是，從夾雜物周圍的斷裂痕跡看，未發(fā)現(xiàn)由夾雜物發(fā)散出來的棱線，也就是說裂紋并非在夾雜物處起源，而且從整個斷口上看，裂紋的走向是按照扭轉(zhuǎn)應(yīng)力主導(dǎo)下進(jìn)行擴(kuò)展的，在裂紋擴(kuò)展過程中未產(chǎn)生由材料內(nèi)部缺陷引起的裂紋轉(zhuǎn)折現(xiàn)象，所以可以判斷夾雜物不是引起該零件斷裂的原因。

4）該零件的宏觀斷口有明顯的發(fā)射狀撕裂棱線，說明斷裂時所受載荷很大，加載速度很快[5]，宏微觀斷口均未發(fā)現(xiàn)疲勞貝殼紋與疲勞輝紋[6]，斷口表面粗糙，沒有腐蝕現(xiàn)象，因此可排除疲勞斷裂和應(yīng)力腐蝕斷裂的可能性。

5）從該零件宏觀斷口的棱線看，這些棱線和該零件所受到的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力基本吻合，源區(qū)的沿晶+韌窩形貌屬于過載韌性斷裂的一種，該零件表面的滲碳層硬而脆，在受到大載荷作用下會產(chǎn)生這樣的形貌，該斷口裂紋擴(kuò)展區(qū)的解理裂紋也屬于脆性斷裂的一種，解理斷裂是金屬在正應(yīng)力作用下由于原子結(jié)合鍵的破壞而造成的沿一定晶體學(xué)平面快速分離的過程，在該斷口裂紋擴(kuò)展到最后斷裂區(qū)，該區(qū)域也是滲碳層區(qū)，所以也是呈沿晶+韌窩形貌。

3 結(jié)論

1）轉(zhuǎn)向器輸出軸的斷裂是由于較大載荷而產(chǎn)生的過載斷裂。

2）轉(zhuǎn)向器輸出軸的斷裂與其材質(zhì)及加工質(zhì)量無關(guān)。

[1]蒙秋紅, 張麗.某新型裝載機(jī)前橋半軸斷裂失效分析及改進(jìn)措施[J].工程機(jī)械, 2009, 11(40): 59.

[2]張棟, 鐘賠道, 陶春虎, 等.失效分析[M], 北京: 國防工業(yè)出版社, 2008: 90.

[3]QC/T262-1999, 汽車滲碳齒輪金相檢驗[S].

[4]GB/T3077-1999, 合金結(jié)構(gòu)鋼技術(shù)條件[S].

[5]王書艷, 馬衛(wèi)東.汽車搖臂軸斷裂原因分析[J].汽車零部件, 2009, (09): 58.

[6]機(jī)械設(shè)計手冊編委會, 失效分析和故障診斷[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2007.05: 14-17.