汽車半軸斷裂失效分析

賈西亞 關(guān)同立

摘 要：在后期的制造過程中重點(diǎn)對(duì)影響汽車半軸斷裂的工藝的參數(shù)及工序進(jìn)行控制和監(jiān)控管理，以便降低失效的發(fā)生，減少事故的頻率，提高產(chǎn)品的整體品質(zhì)。

關(guān)鍵詞：斷裂；失效分析；微觀觀察

1 概述

汽車在正常行駛過程中，半軸的軸承位臺(tái)階R角處發(fā)生斷裂，該車?yán)塾?jì)行駛里程約1萬公里。

半軸材料為40Cr，基本加工流程：毛坯→鍛造→機(jī)械加工→調(diào)質(zhì)處理→中頻淬火→磨削加工→磁粉探傷。半軸技術(shù)要求參照《QC/T 294-1999》，基本技術(shù)要求如下：在淬火區(qū)長(zhǎng)度范圍內(nèi)預(yù)調(diào)質(zhì)硬度為24～30HRC，中頻感應(yīng)淬火后桿部表面硬度為52～60HRC，斷裂處直徑φ40mm，淬火層深度要求為4mm～7mm。

本報(bào)告對(duì)失效半軸外觀進(jìn)行了檢查，對(duì)斷口進(jìn)行了宏微觀觀察，并對(duì)半軸的金相組織、硬度和化學(xué)成分進(jìn)行了檢測(cè)，在此基礎(chǔ)上確定了半軸的斷裂性質(zhì)，并對(duì)其斷裂原因進(jìn)行了分析。

2 試驗(yàn)過程與結(jié)果

2.1 外觀檢查

斷裂半軸結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。斷裂發(fā)生在半軸φ40mm的沿圓周方向的R角處，該部位為中頻感應(yīng)淬火區(qū)。為了方便描述，將遠(yuǎn)離法蘭盤一端的斷口標(biāo)記為Ⅰ#斷口，其法蘭盤側(cè)的匹配斷口標(biāo)記為Ⅱ#斷口。

圖1 半軸結(jié)構(gòu)示意圖

半軸Ⅰ#斷口表面基本垂直半軸軸向，斷面平齊，未見明顯宏觀 塑性變形。Ⅱ#斷口斷裂處R角處表面可見清晰的周向加工刀痕，半軸Ⅱ#斷面附近R角處可見裂紋貫穿半軸側(cè)表面。

2.2 斷口微觀觀察

將Ⅰ#斷口用丙酮超聲清洗后放在掃描電鏡下進(jìn)行微觀觀察。

Ⅰ#斷口斷裂起源于表面，為明顯的線源特征，源區(qū)可見較多的磨損痕跡；在擴(kuò)展中后期，可見疲勞條帶及磨損痕跡；較粗糙區(qū)域可見韌窩和二次裂紋，為瞬斷區(qū)。

Ⅰ#斷口斷裂起源于表面，呈線源特征，源區(qū)磨損嚴(yán)重；擴(kuò)展期可見疲勞條帶。

2.3 化學(xué)成分檢測(cè)

平行于半軸斷口表面取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。各元素含量均符合GB/T 3077-1999標(biāo)準(zhǔn)要求，其中Mn含量稍偏上限。

表1 半軸化學(xué)成分（wt%）

[＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&][所測(cè)元素

測(cè)量值

GB 3077-1999][C

0.41

0.37～0.45][Si

0.22

0.17～0.37][Cr

0.99

0.8～1.1][Mn

0.85

0.5～0.8][Fe

余量

]

2.4 金相組織觀察

在φ40mm的半軸上距離斷口約15mm處的部位橫向取樣，磨制拋光腐蝕后在光學(xué)金相顯微鏡下觀察半軸橫截面金相組織；可見環(huán)形淬火區(qū)。在垂直Ⅱ#斷口表面截取縱向金相試樣，磨制拋光腐蝕后在光學(xué)金相顯微鏡下觀察半軸斷口附近縱截面金相組織；可見淬火區(qū)不均勻，大致呈三個(gè)不同的區(qū)域特征：白亮區(qū)、光亮區(qū)和灰暗區(qū)。半軸R角區(qū)為非正常的淬火馬氏體組織，其中的光亮區(qū)形成了淬火裂紋；從主源附近淬火區(qū)和次源附近淬火區(qū)形狀差異及主源區(qū)光亮區(qū)與灰暗區(qū)的界線延長(zhǎng)特征來看，主源區(qū)附近的光亮區(qū)可能沒有延長(zhǎng)到R角，這表明R角可能沒有形成完全的淬火馬氏體。

2.5 硬度檢查

將金相試樣拋光進(jìn)行顯微硬度測(cè)試（載荷為500gf），并參照GB/T 1172-1999換算成洛氏硬度。由測(cè)試結(jié)果可知，φ40mm軸桿部的心部及φ48mm側(cè)斷口處縱向試樣心部的硬度分散性較大，平均值為23HRC和23.5HRC，稍低于技術(shù)要求（24～32HRC）。

對(duì)半軸斷口主源和次源附近的淬火層各區(qū)進(jìn)行顯微硬度測(cè)定。可見光亮區(qū)的硬度最高，灰暗區(qū)次之，白亮區(qū)最低；這表明淬火層硬度不均勻，可能存在較大的應(yīng)力。

2.6 淬火層深度檢查

采用金相方法和硬度法測(cè)試斷裂半軸φ40mm軸桿部（距斷口下方15mm）處的淬火層深度（由表面至硬度變化為HRC40（381HV）處），半軸φ48mm側(cè)次源附近R角的淬火層厚度。可見，φ40mm軸桿部的淬火層深度約為4.8mm， 半軸φ48mm側(cè)次源附近R角的淬火層深度約為3.5mm；技術(shù)要求φ40mm軸桿部及R 角的淬火層深度為3.5mm～7mm，可知φ40mm軸桿部的淬火層深度滿足技術(shù)要求；半軸φ48mm側(cè)次源附近R角的淬火層深度低于技術(shù)要求。

3 分析與討論

半軸斷口的宏微觀觀察結(jié)果可知，斷口表面宏觀未見明顯塑性變形，裂紋擴(kuò)展區(qū)平坦、可見疲勞弧線，微觀可見疲勞條帶；由此推斷，半軸的斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂。

金相組織檢查表明，斷口下方φ40mm半軸桿部的淬火層組織、深度及硬度符合要求；R角處存在淬火不當(dāng)導(dǎo)致組織不符合要求、硬度較低及出現(xiàn)淬火裂紋的現(xiàn)象；這使得半軸疲勞性能下降，引起早期疲勞斷裂，可能是半軸疲勞斷裂的主要原因。

另外，40Cr鋼中的Mn元素可提高鋼的淬透性，但容易使鋼產(chǎn)生過熱傾向，并有回火脆性傾向。半軸金相斷裂處的直徑為φ40mm，相對(duì)較大，Mn元素略高時(shí)，可能使其更容易淬透，金相組織檢查未見組織粗大過熱特征，斷口未見沿晶脆性斷裂特征；這表明Mn元素比技術(shù)要求的略高，沒有使半軸產(chǎn)生過熱和回火脆性，可能沒有對(duì)半軸產(chǎn)生較大的不利影響。

綜上所述，半軸斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂；半軸疲勞斷裂主要與R角處淬火不當(dāng)引起主源，R角未形成淬火馬氏體、組織不符合要求、表面硬度較低及產(chǎn)生了淬火裂紋有關(guān)。材料心部組織狀態(tài)與技術(shù)條件要求的調(diào)質(zhì)狀態(tài)不一致及硬度偏低，使得半軸疲勞性能降低，促進(jìn)了疲勞斷裂，因此在后期的制造過程中重點(diǎn)對(duì)影響其工藝的參數(shù)及工序進(jìn)行控制和監(jiān)控管理，以便降低失效的發(fā)生，減少事故的頻率，提高產(chǎn)品的整體品質(zhì)。