工藝強化后轎車等速萬向傳動軸材料扭轉斷裂研究

盧 曦

(上海理工大學機械工程學院,上海 200093)

工藝強化后轎車等速萬向傳動軸材料扭轉斷裂研究

盧 曦

(上海理工大學機械工程學院,上海 200093)

以工藝強化后某轎車等速萬向傳動中間軸材料試樣的扭轉斷裂為對象,試驗研究了不同載荷強化和損傷后試樣的靜扭轉斷裂和疲勞扭轉斷裂斷口形貌、斷口硬度特性以及剩余靜強度、剩余靜剛度和斷口硬度之間的相互關系和變化規律.研究結果表明,無論是經過小載荷強化還是疲勞大載荷損傷的材料試樣,其靜扭轉斷裂斷口都是橫向剪切斷裂且斷口十分平齊;材料試樣無論是否經歷強化或損傷,其疲勞斷裂斷口呈現正斷或橫向切斷不平齊兩種形貌,正斷和橫向切斷不平齊兩種疲勞斷口形貌與試樣的強化過程、損傷過程以及試樣的疲勞壽命之間沒有明顯的內在關系;疲勞過程中試樣的剩余靜強度、剩余靜剛度和斷口平均硬度的變化趨勢和規律基本一致.

扭轉斷裂;斷口形貌;扭轉疲勞;剩余靜強度;剩余靜剛度;硬度

等速萬向傳動軸是轎車傳動系統中的重要部件,主要由固定萬向節、滑移萬向節和中間軸組成,等速萬向傳動軸總成的靜扭轉強度特性和扭轉疲勞強度特性是其重要的性能指標.隨著制造工藝的不斷提高,等速萬向傳動軸總成的主要失效方式之一是中間軸扭轉靜斷裂和疲勞斷裂.特別是為了滿足整車輕量化的要求,中間軸結構從原來實心軸過渡到等截面空心軸,再到變截面變壁厚旋鍛軸,中間軸最大減重可超過40%,中間軸的強度潛能幾乎達到極致,因此,中間軸的扭轉強度和斷裂問題顯得更加突出.

對于承受扭矩的軸類零件,扭轉疲勞斷裂一般包括:a.拉斷,和軸內成45°,橫斷面呈星狀,當應力集中較大時呈鋸齒狀.b.橫向切斷,和軸向垂直,橫斷面呈階梯狀.c.縱向切斷,和軸向平行,橫斷面呈階梯狀.軸類零件的扭轉疲勞一般看不到成貝殼狀或海灘狀的裂紋前沿線[1].在軸類扭轉疲勞斷裂研究方面,文獻[2-3]以40Cr材料試樣為例,研究了不同回火溫度扭轉疲勞斷裂機制;Murakami等[4]以S45C鋼為對象,研究了扭轉疲勞下的疲勞裂紋和疲勞極限;Tschegg[5]以AISI4340鋼為例,研究了III型和I型扭轉疲勞裂紋擴展特性等.現有的扭轉疲勞斷裂以微觀、裂紋擴展等研究為主,幾乎沒有涉及實際軸類零件的具體強化工藝;特別是對于經過工藝強化后試樣在扭轉疲勞過程中硬度、剩余強度及剩余剛度等典型機械特性之間內在關系至今沒有公開的國內外文獻報道.

轎車等速萬向傳動軸中間軸需要進行表面工藝強化以充分發揮材料的潛能,典型的中間軸硬化層深度可達3.5 mm、表面硬度52-58HRC,靜扭轉強度可達1 500 MPa.作者的研究表明,表面工藝強化后材料和零件的彎曲和扭轉疲勞特性會發生較大的變化:疲勞強度很高、沒有明顯的疲勞裂紋源、裂紋擴展范圍很小、裂紋萌生壽命占全壽命90%以上等[6-8].研究經過工藝強化后材料的扭轉斷裂形貌和試樣斷裂處的典型機械特性之間的內在關系,可為等速萬向傳動中間軸扭轉疲勞失效分析、工藝優化、抗疲勞設計以及可回收評價等提供重要參考依據.本文以某轎車傳動軸總成中間軸材料試樣為對象,研究疲勞過程中扭轉斷裂斷口形貌和典型機械性能之間的關系.

1 材料和方法

材料試樣選擇等速萬向傳動中間軸常用的國產40Cr正火態棒料,抗拉強度大于650 MPa.材料試樣的表面強化工藝參照某中間軸的熱處理工藝:中頻淬火加回火,熱處理后表面硬度52-58HRC,心部硬度小于等于30HRC,試樣硬化層深度最小1.9 mm(最小直徑為12 mm),材料試樣形狀和尺寸如圖1所示.

圖1 材料試樣Fig.1 Material specimen

材料試樣的扭轉斷裂試驗包括靜扭轉斷裂和疲勞扭轉斷裂兩類.靜扭轉斷裂包括原始試樣直接靜扭轉斷裂和經過不同載荷強化或損傷后靜扭轉斷裂兩種;疲勞扭轉斷裂試驗包括不同損傷載荷下的疲勞斷裂和不同載荷強化后疲勞斷裂,文獻[9-12]給出了所有試驗載荷大小、方法和步驟等.

硬度測量部位選取試樣斷口附近圓柱面,每個測量部位沿圓周方向選擇不少于6個點的平均硬度作為斷口硬度,原始試樣的參考硬度為HRA78.9.由于試樣承受純扭矩,在不考慮材料、加工和熱處理等造成離散影響的情況下,試樣的硬度變化僅與施加的載荷和載荷作用次數相關,考慮到硬度測量方便,選擇離斷口1 cm處的位置作為斷口硬度測量位置.

疲勞試驗在國家拖拉機質量監督檢驗中心洛陽西苑車輛與動力有限公司的電液伺服扭轉疲勞試驗機上進行,加載頻率2 Hz,循環比r=0.1.剩余靜強度和剩余靜剛度試驗在上海理工大學的濟南NZ-1000扭轉試驗機進行.硬度試驗在上海理工大學的HRS-150數顯硬度計上進行,按照GB/T230.1-2009的規定進行,測量條件為:金剛石壓頭、測量HRA硬度、測量負荷60 kg、保荷時間5 s.

2 試驗結果和分析

2.1 斷口形貌

試驗過程中發現試樣斷口形貌與試驗載荷、疲勞壽命以及其它機械特性等之間的規律性不明顯,很難給出定量結論.另外,由于試樣的硬化層很深,疲勞區域范圍很小,也很難通過金相分析觀察到疲勞裂紋源、疲勞擴展過程以及疲勞斷裂機理.故本文沒有給出斷口的定量變化規律和金相分析結果,僅從斷裂斷口形貌進行分析和歸類,文獻[9-12]給出了所有試樣的詳細疲勞試驗過程和結果.

靜斷和疲勞后靜斷的所有試樣如圖2所示,其斷口形貌全部是橫向剪切,而且斷口非常平齊,圖3是典型的橫向剪切平齊斷口.

圖2 靜斷裂和疲勞后靜斷裂斷口試樣Fig.2 Fracture morphology of static torsional fracture and fatigue fracture

圖3 P-30橫向剪切斷裂全貌圖Fig.3 Trausverse shear fracture morphology of specimen P-30

典型的P-30試樣疲勞試驗后靜扭斷(疲勞加載204 700次后試驗停止[12]),斷口中沒有觀察到明顯的疲勞裂紋源和疲勞擴展區,與文獻[1,6-7]的試驗研究結果相符.表1給出了典型的斷口切斷平齊試樣的剩余靜強度、剩余靜剛度、斷口平均硬度和硬度變化率.

表1 斷口平齊試樣的典型機械特性Tab.1 Mechanical characteristic of transverse shear specimess

表1中試樣剩余靜強度高于原始靜強度的原因是這些試樣經過小載荷的強化,其中,P-46和P-47試樣的疲勞驗證壽命有些異常,驗證壽命超過150萬次[12].對于靜斷裂,無論直接靜扭斷還是疲勞后靜扭斷,其斷口都是橫向剪切平齊.

由于試樣承受純扭矩,從斷口形式來看,靜扭轉斷裂是沿著最大切應力平面斷裂,抗切(剪)能力弱于抗拉壓能力,屬于典型的塑性材料的扭轉靜斷裂.試樣的硬化層雖然很深,強度和硬度也很高,但并沒有淬透,心部仍具有很好的塑性,以抵抗變形和沖擊.

不同損傷載荷幅值下的疲勞壽命、斷口形貌和平均硬度的結果如表2所示.從表2中可以看到,疲勞斷裂口呈現正斷和切斷不平齊兩種形貌,斷口形貌和疲勞載荷沒有明顯的規律.

表2 損傷試樣試驗情況及硬度值Tab.2 Test conditions and hardness of damage specimens

經過不同小載荷強化后,在驗證載荷135.45 Nm下的疲勞壽命、斷口形貌、斷口硬度及其變化率如表3所示(見下頁).同樣,疲勞斷裂口呈現正斷和切斷不平齊兩種形貌,斷口形貌和疲勞載荷、強化條件也沒有明顯的規律.

斷口不平齊和正斷所有試樣如圖4所示(見下頁).疲勞斷裂疲勞壽命最長的斷口切斷不平齊試樣P-35如圖5所示(見下頁).在圖5中,同樣沒有發現明顯的疲勞裂紋源和疲勞裂紋擴展區域.

從試樣斷裂斷口形貌來看,對于經過工藝強化后的扭轉疲勞試樣,無論是否經過疲勞損傷和強化,靜斷裂都是剪切斷裂,斷口平齊,屬于塑性斷裂;所有疲勞斷裂試樣的斷口屬于正斷和剪切交互,斷口不平齊,疲勞斷裂斷口沒有明顯的疲勞區域,過載應力較低時疲勞斷裂以正斷為主,過載應力較高時易發生剪切疲勞斷裂.

傳動軸材料試樣的靜斷和疲勞斷裂的試驗結果表明:中間軸設計時除了滿足疲勞強度要求外,還需要保證其靜強度,防止使用過程中過大的靜載荷沿著最大切應力平面斷裂;在強化工藝方面,實心中間軸一般不淬透,保證心部塑性;空心中間軸可嘗試淬透.

表3 小載荷強化后試樣驗證疲勞壽命和斷口Tab.3 Fatigue life and fracture morphology under low-amplitude load strengthening

圖5 P-35橫向剪切斷裂全貌圖Fig.5 Transvere shear fracture morphology of specimen P-35

2.2 斷口硬度

斷口硬度測量時,通過不同位置,即緊貼斷口(5 mm以內,受測試儀器限制)、斷口附近(離斷口10 mm)和遠離斷口(離斷口20 mm及以上)處的硬度值測量結果表明,不同位置處的硬度值基本不變,可以用斷口附近處的硬度代表斷口斷裂時的硬度.

不同試樣斷口附件的平均硬度和平均硬度變化率如表1—3所示,其中,靜載斷裂試樣還給出了試樣的剩余靜強度和剩余靜剛度.從表1—2中的試驗數據很難建立斷口形狀、疲勞壽命、斷裂處的機械特性與疲勞載荷之間的定量關系.為此,圖6僅給出了試樣在不同斷裂方式下的斷口處硬度平均變化關系,沒有考慮各試樣的承受載荷與疲勞壽命.

圖6 不同斷裂方式下的硬度變化Fig.6 Hardness change with different fracture morphology

從圖6中可以初步看到,斷口形狀和斷口處硬度變化率之間的關系具有一定的規律性,斷口切斷平齊試樣硬度變化率大都為正,其原因應該是加工硬度效應;斷口切斷平齊都是靜載斷裂,硬度有一定的增加,但增加量很小,其主要原因是試樣經過工藝強化,原始表面硬度已經很高;切斷不平齊和正斷試樣除個別試樣外,斷口硬度都下降,這與疲勞斷裂后表面硬度最終下降的研究結論相符[13-15].

圖7給出了所有試樣強化后疲勞強度變化率和斷口硬度變化率之間的關系.

在圖7中,在強化和損傷過程中不同試樣的疲勞強度變化率和硬度變化率符合程度較差,很難大量獲得它們之間的關系,造成差別的主要原因為: a.經過工藝強化后材料的疲勞強度和硬度本身離散較大;b.圖7中試樣沒有剔除異常數據;c.疲勞強度變化率測試和估算方法本身存在離散;d.試驗樣品數據較少.需要更多的試驗樣品才能建立疲勞強度變化率與表面硬度變化率之間的定量關系.

圖8給出了包括異常數據的所有試驗試樣的斷口硬度、剩余靜強度和剩余靜剛度的變化趨勢.試樣結果異常試樣有P-3,P-5,P-18,P-19,P-23, P-24等,原因是疲勞峰值載荷小于靜斷裂施加載荷而未疲勞斷裂,其剩余靜強度和剩余靜剛度是在靜扭轉試驗機上靜斷得到.

圖7 疲勞強度變化率和硬度變化率Fig.7 Changing rates of fatigue strength and hardness

圖8 斷口硬度、剩余靜強度和剩余靜剛度Fig.8 Relations among hardness,residual static strength and residual static stiffness

在圖8中,除了驗證壽命最長的P-46和P-47以及P-41試樣外,對于其它所有試樣,經過強化或疲勞損傷后靜斷裂試樣的剩余靜強度和剩余靜剛度的變化趨勢相同,而且變化的吻合程度較高;但是,不同試樣的斷口平均硬度和剩余強度、剩余靜剛度的符合程度較差.如果建立了疲勞過程中剩余靜強度和剩余壽命之間的關系,則可以通過疲勞過程中剩余靜剛度的無損測量來預測剩余強度和剩余壽命.這一結論為等速萬向傳動中間軸以及其它機械零件在疲勞過程中剩余壽命預測、報廢機械零部件可回收性無損評價提供了基礎.

3 結 論

經過工藝強化的國產40Cr材料試樣,無論是否經過小載荷強化或疲勞損傷的試樣,其靜扭轉斷裂斷口為橫向剪切且表面十分平齊,屬于塑性斷裂;疲勞斷裂斷口呈現正斷或橫向切斷不平齊兩種無規律的狀態,疲勞斷裂斷口沒有明顯的疲勞區域,過載應力較低時疲勞斷裂以正斷為主,過載應力較高時易發生剪切疲勞斷裂.

經過工藝強化的國產40Cr材料試樣,無論是否經過小載荷強化或疲勞損傷,疲勞過程中試樣的剩余靜強度和剩余靜剛度的變化趨勢和規律符合程度很高,但試樣斷口平均硬度與剩余靜強度和剩余靜剛度之間的符合程度較差.

材料試樣的斷裂斷口形貌為等速萬向傳動中間軸產品設計和強化工藝提供了依據,即設計時要保證中間軸的靜強度,防止使用過程中過大的靜載荷沿著最大切應力平面斷裂;在強化工藝方面,實心中間軸一般不淬透,保證心部塑性;空心中間軸可嘗試淬透.

本文雖然沒有通過金相分析深入探討經過工藝強化后扭轉斷裂機制和斷口形貌產生機理,但不同載荷的扭轉斷裂形式以及試樣的剩余靜強度、剩余靜剛度和斷口平均硬度相同變化趨勢和規律為等速萬向傳動中間軸以及其它機械軸類零件的設計、試驗過程中的剩余壽命預測以及可回收技術評價等方面提供了參考依據.

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(編輯:石 瑛)

Torsional Fracture of Constant Velocity Universal Drive Shaft Processed with Strengthening Technology

LUXi
(School of Mechanical Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

Using the material specimen of a constant velocity universal drive shaft processed with strengthening technology as a test object,the form and type of torsional fracture,the hardness characteristic of fracture and the relationships among fracture hardness,residual static strength and residual static stiffness were investigated.The results show that the static fracture morphology is of smooth transverse shear whether the strengthening by light load or the damaging by heavy load has been carried out on the specimen under the action of fatigue load spectrum.All the morphologyies of fatigue fracture are of rugged transverse shear or tensile fracture,and they bear no obvious internal relations to the strengthening process,damage process and fatigue life.During the process of specimen fatigue frature,the residual static strength,residual static stiffness and average hardness of fracture area retain the same chamging trend and rule.

torque fracture;fracture morphology;torque fatigue;residual static strength; residual static stiffness;hardness

TH 114;U 463.3

A

1007-6735(2015)05-0457-05

10.13255/j.cnki.jusst.2015.05.008

2014-06-25

國家自然科學基金資助項目(51175346);上海市科委基礎研究重點資助項目(12JC1407000);上海市科技攻關項目(14521100500);上海汽車工業科技發展基金資助項目(1210)

盧 曦(1968-),男,教授.研究方向:汽車結構強度可靠性與輕量化設計、報廢汽車零部件回收強度和壽命評價.E-mail:luxi_usst@163.com