半軸斷裂分析及建議策略

王彬 梁會雷 李玉新 李平平 梁雪東 李雪峰

摘 要：材質為40Cr的汽車半軸使用一段時間后發生斷裂，通過宏觀分析、微觀分析、化學成分、金相組織等手段入手，對半軸斷裂原因進行分析。結果表明，半軸的失效性質為扭轉疲勞，疲勞源為淬火裂紋面，造成淬火開裂的根源則是制造工序安排不合理形成的中心孔根部應力集中， 調整工序后此類問題再無發生。

關鍵詞：半軸;扭轉疲勞;淬火裂紋;預防措施

0 引言

汽車半軸是汽車傳動總成中的一個重要零件，是連接差速器與驅動輪之間傳遞扭矩的實心軸，其一端通過花鍵與半軸齒輪連接，另一端通過法蘭與輪轂連接。由于其特殊的工作條件，運行過程中會承受磨損、沖擊、交變彎曲載荷和靜扭轉的作用。要求生產半軸的材料具有足夠的抗彎強度、抗剪強度和較好的韌性[1]。通常采用40Cr、42CrMoH 等中碳合金鋼，經適當熱處理后，獲得強度、塑形和韌性的良好配合。

某公司生產的半軸材質為40Cr，制造工藝為：下料-感應加熱（1 150℃）-鐓粗-擺碾法蘭盤-打中心孔-調質（850℃保溫1.5 h～2 h水淬，550℃～600℃回火2.5 h水冷）-拋丸-機加工-中頻淬火-校直-精車。使用情況如下，半軸整橋載荷5T，扭矩約14 000*0.6 N.m，行駛15 168公里，斷裂10根，同批次共70根。

通過對斷裂半軸進行宏觀檢驗和電鏡分析，結合半軸的金相組織、化學成分、熱處理工藝等進行分析，確定造成其早期扭轉疲勞的根源是中心孔制造工序設置不合理形成的應力集中，繼而引發的淬火裂紋所致，調整半軸制造工序后，此類問題再無發生，本文結論同樣可供類似產品借鑒參考。

1 宏觀形貌

圖1所示為半軸實物照片，斷裂發生于法蘭盤與軸的過渡部位，即變徑區域，該處具有應力集中效應。

圖2為半軸斷裂處宏觀形貌，根據斷口形貌可將斷面劃分為A/B/C/D四個特征區域，其中A為中心孔底面;B以A邊緣為源形成球形裂紋面;C以B為源發生二次擴展，擴展方向見圖中紅色虛線箭頭，該區域呈棘輪狀，具有扭轉疲勞斷裂特征;D為瞬斷區，表面潔凈。

綜上，宏觀檢查顯示半軸表現為扭轉疲勞斷裂，起裂部位是中心孔底部邊緣。

2 化學成分檢查

在送檢半軸斷口附近取樣進行化學成分分析，結果見表1所示，滿足GB/T 3077-2015技術要求。

3 微觀形貌檢查和能譜分析

將圖1中軸側斷口采用無水乙醇超聲清洗后放入掃描電鏡中觀察微觀形貌并進行能譜分析，結果如圖2和圖3所示：（1）A區域表面覆蓋一層較厚的氧化鐵皮;（2）B區域表面雖被輕微氧化，但依稀可看出沿晶形貌，具有應力性開裂特征;（3）C區域表面潔凈無異物，未見氧化腐蝕跡象，為準解理斷裂形貌，局部可見疲勞條帶;（4）D區微觀形貌以沿晶斷裂為主，這與表面采用感應淬火工藝相符。

4 金相檢查

沿圖1中紅色虛線線切割取樣進行金相檢查，結果如圖4～9所示：（1）中心孔底面覆蓋一層氧化物，表面組織為鐵素體，脫碳現象明顯，這是因為中心孔加工于調制之前，因此在淬火保溫時表面發生脫碳;（2）B區表面呈弧形擴展，尾部尖細，組織為回火索氏體，未見氧化脫碳跡象，具有淬火裂紋特征;（3）基體組織為回火索氏體+少量貝氏體，根據GB/T 13320評定調質級別為3級，根據GB/T 6394評定奧氏體晶粒度約8級，感應區組織為細針狀回火馬氏體。此外，基體硬度約29 HRC，感應層表面硬度約60 HRC，均滿足技術要求（27 HRC～33 HRC;≥52 HRC）。

5 分析與討論

半軸在運行過程中承受磨損、沖擊和周期性的扭轉負荷，工況相對復雜，由于材料缺陷、鍛造缺陷、熱處理缺陷和載荷等原因，往往會導致其發生早期失效。常見失效形式有磨損、彎曲變形、斷裂。斷裂失效有平齊斷裂、法蘭盤掉盤、花鍵扭斷、軸部45°剪切斷裂、棘輪狀斷裂等等[2]。

本文中所述半軸的斷口即呈棘輪狀扭轉疲勞斷裂，疲勞源為原始淬火裂紋面，造成淬火開裂的原因主要是制造工序安排不合理所致，法蘭盤和軸過渡區（變徑位置）在淬火過程中本身為應力集中區，而中心孔恰好位于該處。因此，將中心孔的加工放在調質處理前進行，將進一步加大局部應力集中程度，極易引發淬火致裂的風險，一旦產生淬火裂紋，服役過程中便以淬火裂紋面為源，在扭轉載荷作用下發生疲勞，造成半軸最終剪切斷裂[3]。

需要考慮的是，對于軸類零件而言，扭轉載荷的最大值由表及里順序減小，心部為零。但當心部出現本文中這樣較大范圍的淬火裂紋時，即使該處扭轉載荷較小，也難免以此為源發生疲勞斷裂。

6 結論與建議

（1）半軸的失效性質為扭轉疲勞斷裂;

（2）疲勞源為半軸中部的淬火裂紋面;

（3）淬火裂紋的產生是因為中心孔根部應力集中所致。

建議優化生產工序，將中心孔的加工由原來的調質處理前加工改在之后進行，可有效避免此類事故的再次發生。

參考文獻：

[1]李瑩，劉高遠，張立新.某汽車車輪半軸斷裂失效分析[J].失效分析與預防，2007（2）：40-44.

[2]高為國，董麗君，胡鳳蘭，等.40Cr鋼汽車半軸淬火缺陷分析及熱處理工藝改進[J].湖南工程學院學報，2008，18（4）：33-36.

[3]岳峰，郭永林，紀仁峰.42CrMoH汽車半軸靜扭斷口分析[J].熱處理技術與裝備，2017，38（5）：58-61.