汽車半軸斷裂失效分析

摘要：汽車半軸是非常重要的部件，如果出現(xiàn)斷裂會(huì)導(dǎo)致非常嚴(yán)重的后果。為了解決汽車半軸斷裂失效問(wèn)題，避免因汽車半軸斷裂失效帶來(lái)的事故。以某汽車后橋半軸為例，通過(guò)理化檢驗(yàn)的方法對(duì)汽車半軸斷裂失效原因進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明此次半軸斷裂原因主要是嚙合不良造成花鍵齒頂異常受力。希望在今后通過(guò)多種方式改善花鍵齒的加工。

關(guān)鍵詞：汽車半軸;斷裂失效;花鍵;斷口;微觀分析

中圖分類號(hào)：圖463.21

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

某汽車后橋半軸，材料為40Cr，機(jī)加工后經(jīng)過(guò)中頻淬火、低溫回火處理。該半軸在依據(jù)QC/T293-1999《汽車半軸臺(tái)架試驗(yàn)方法》進(jìn)行扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)時(shí)發(fā)生斷裂，斷裂位置位于花鍵和軸的交匯處。整個(gè)斷面與軸線方向呈45°角，同時(shí)在花鍵一側(cè)，可見一個(gè)花鍵齒發(fā)生斷裂。斷裂時(shí)循環(huán)周次為14.5萬(wàn)次（目標(biāo)為≥30萬(wàn)次），屬于較嚴(yán)重的早期失效。為找出失效原因，避免再發(fā)生此類事故，對(duì)該半軸進(jìn)行了失效分析（圖1）。

1理化檢驗(yàn)

1.1宏觀斷口分析

對(duì)花鍵部分宏觀形貌進(jìn)行觀察，整個(gè)花鍵部分有多條45°方向的裂紋（圖2a）。這些裂紋也和軸線方向呈45°角，是第一部分?jǐn)嗫诘难永m(xù)，從軸的扭轉(zhuǎn)裂紋擴(kuò)展到花鍵上的。花鍵上有一條裂紋沿花鍵齒底與扭轉(zhuǎn)疲勞斷口的斷裂源連接，是本次著重需要分析的裂紋，將其編號(hào)為1號(hào)花鍵。有一部分花鍵齒已經(jīng)發(fā)生斷裂，將其編號(hào)為2號(hào)花鍵;有一條裂紋沿花鍵齒頂，將其編號(hào)為3號(hào)花鍵。以下將分別對(duì)1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)花鍵進(jìn)行分析。

對(duì)1號(hào)花鍵的齒底裂紋進(jìn)行觀察，可見1號(hào)花鍵齒的嚙合區(qū)占整個(gè)嚙合面的2/3，嚙合受力點(diǎn)在齒腰的節(jié)圓處，在齒底形成最大的彎曲應(yīng)力，其齒腰和齒底均已發(fā)生開裂。齒底裂紋和扭轉(zhuǎn)疲勞斷口的裂紋源相連，極有可能和扭轉(zhuǎn)斷口的疲勞起源有關(guān)，需要打開該斷口進(jìn)行進(jìn)一步的分析觀察。

打開1號(hào)花鍵的斷口，齒的斷口分兩個(gè)區(qū)域，區(qū)域1為裂紋起始區(qū)。裂紋起始源于齒根部，裂紋起始區(qū)可見明顯的一次臺(tái)階，每個(gè)臺(tái)階對(duì)應(yīng)一個(gè)條痕狀缺陷。區(qū)域2呈剪切特征，為最后斷裂區(qū)。

對(duì)2號(hào)花鍵的宏觀斷口及裂紋起始區(qū)進(jìn)行觀察，可見2號(hào)花鍵齒已經(jīng)斷裂。斷口較平齊，整個(gè)斷面疑似疲勞斷裂，但宏觀下未見明顯的疲勞弧線等特征。裂紋起源于花鍵的節(jié)圓處，在該花鍵的齒底，可見一條與軸線呈45°角的裂紋。該裂紋從扭轉(zhuǎn)疲勞斷口延伸而來(lái)，齒與扭轉(zhuǎn)疲勞斷口交匯處的斷面平坦，有氧化色（圖2b）。

對(duì)3號(hào)花鍵的齒頂裂紋和嚙合區(qū)進(jìn)行觀察。3號(hào)齒的齒頂有一條明顯的裂紋，齒的嚙合區(qū)約占整個(gè)齒面的1/2，齒面上還有一條與軸線呈45°角方向的裂紋（圖3）。

對(duì)扭轉(zhuǎn)疲勞斷口附近3個(gè)花鍵齒的分析結(jié)果表明，1號(hào)花鍵齒的斷裂疑似為疲勞斷裂，裂紋起源于齒根條痕處，齒根條痕處為應(yīng)力集中源。疲勞沿齒根往內(nèi)部擴(kuò)展，并和扭轉(zhuǎn)疲勞斷口發(fā)生交匯，但是從宏觀分析上暫且無(wú)法判斷，扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂和1號(hào)花鍵齒斷裂之間的關(guān)系。1號(hào)花鍵齒斷裂的原因需要進(jìn)一步分析。

2號(hào)和3號(hào)花鍵齒的宏觀分析結(jié)果表明，2號(hào)花鍵齒斷裂疑似疲勞斷裂，裂紋起源于齒面的節(jié)圓處，并且和扭轉(zhuǎn)疲勞斷口發(fā)生交匯。3號(hào)花鍵齒和2號(hào)花鍵齒情況類似。因?yàn)?號(hào)和3號(hào)花鍵齒與扭轉(zhuǎn)疲勞交匯處并無(wú)疲勞起源的特征，可以初步判斷2號(hào)和3號(hào)花鍵齒的斷裂與半軸的扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂無(wú)關(guān)，花鍵齒斷裂的原因也需要進(jìn)一步確認(rèn)。

1.2微觀斷口分析

1.2.1花鍵齒斷口的微觀分析

在掃描電鏡下對(duì)1號(hào)花鍵齒斷口的微觀形貌進(jìn)行觀察，其裂紋起源于齒底條痕狀缺陷處。裂紋起源區(qū)的微觀形貌特征為沿晶特征，沿晶面干凈新鮮，無(wú)明顯氧化特征。沿晶特征中夾雜著少量的疲勞特征，擴(kuò)展區(qū)可見明顯的疲勞及二次裂紋特征。

在掃描電鏡下對(duì)2號(hào)花鍵齒斷口的微觀形貌進(jìn)行觀察，其裂紋起源于齒面節(jié)圓處。裂紋起始區(qū)的微觀形貌特征為干凈新鮮的沿晶特征，未見明顯的氧化形貌。擴(kuò)展區(qū)為典型的疲勞特征及二次裂紋。

在掃描電鏡下對(duì)3號(hào)花鍵齒斷口的微觀形貌進(jìn)行觀察，其裂紋起源于齒面節(jié)圓處，其齒底的條痕狀缺陷處未發(fā)現(xiàn)任何的微觀裂紋。花鍵齒的微觀形貌特征見圖4所示。

1.2.2花鍵齒根的微觀分析

在掃描電鏡下對(duì)其余花鍵齒根進(jìn)行觀察，其余花鍵齒根均可見條痕狀缺陷，但是未見異常的裂紋、刀痕以及尖銳的R角過(guò)渡等缺陷。局部存在的裂紋缺陷均是半軸扭轉(zhuǎn)疲勞斷口的延續(xù)裂紋，和花鍵齒的斷裂無(wú)關(guān)。

花鍵齒的微觀斷口的分析結(jié)果表明，花鍵齒的斷裂為疲勞斷裂，疲勞擴(kuò)展區(qū)可見明顯的疲勞輝紋特征，其疲勞開裂的循環(huán)周次高于半軸斷口。但是1號(hào)齒疲勞起源于齒底缺陷處，齒的疲勞斷口和半軸疲勞斷口相關(guān)聯(lián)。結(jié)合兩者的斷口綜合判斷，1號(hào)花鍵齒斷裂早于半軸的斷裂。1號(hào)花鍵齒齒根疲勞裂紋擴(kuò)展到半軸區(qū)時(shí)，在半軸區(qū)表面形成裂紋缺陷，半軸自該缺陷處發(fā)生扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂。

2號(hào)齒裂紋起源于齒腰，3號(hào)齒裂紋起源于齒頂附近，并且齒底未見任何微裂紋。可見2號(hào)和3號(hào)齒的斷裂與整個(gè)半軸的扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂無(wú)關(guān)，是一個(gè)獨(dú)立的事件。極有可能是整個(gè)半軸發(fā)生開裂后，齒的嚙合異常造成的疲勞開裂或者崩齒[1]。

由此看來(lái)，1號(hào)花鍵齒的開裂原因是分析整個(gè)問(wèn)題的關(guān)鍵。造成1號(hào)花鍵齒疲勞開裂的可能原因是多種，如根部缺陷、嚙合異常、氫脆、回火淬以及低強(qiáng)度等[2]。但是從斷口分析結(jié)果可以排除氫脆和回火脆的可能，因?yàn)槲⒂^斷口上沒有氫脆和回火脆的特征。分析的方向集中在根部缺陷（如刀痕、R角過(guò)渡、原始裂紋和脫碳等）或者嚙合異常（從齒面嚙合痕跡判斷，可能性極大）。1.3能譜分析

對(duì)1號(hào)花鍵齒裂紋起始區(qū)和齒底分別進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖5所示。裂紋起始區(qū)能譜結(jié)果正常，斷面新鮮，無(wú)任何氧化特征。齒底有輕微氧化，能譜結(jié)果也無(wú)異常。能譜分析結(jié)果可以排除花鍵在制造工藝過(guò)程中存在先期裂紋的可能。

1.4花鍵齒金相分析

垂直于軸向切取1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)花鍵進(jìn)行金相分析。

其中1號(hào)花鍵齒齒腰也有裂紋，且裂紋已經(jīng)快擴(kuò)展到齒根，齒底也可見明顯的裂紋。齒根裂紋起始區(qū)未見任何宏觀夾雜，也未見脫碳、非馬氏體組織，以及異常的R角過(guò)渡等問(wèn)題。2號(hào)花鍵齒和3號(hào)花鍵齒斷裂的位置相似。

2號(hào)和3號(hào)花鍵齒都從節(jié)圓處起始，裂紋起始區(qū)均未見任何宏觀夾雜、脫碳和非馬氏體組織等缺陷，齒根也都未發(fā)現(xiàn)顯微裂紋。按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》對(duì)整個(gè)齒面進(jìn)行夾雜物評(píng)級(jí)，未見A、B、C類夾雜，D類夾雜約0.5級(jí)，花鍵齒部的夾雜無(wú)異常。

花鍵齒部的金相分析結(jié)果表明，只有1號(hào)花鍵齒底部存在裂紋，其他花鍵齒底部均未發(fā)現(xiàn)裂紋，花鍵齒的表面未發(fā)現(xiàn)異常的夾雜、脫碳及非馬氏組織等缺陷。齒根唯一的缺陷是存在條痕，盡管齒底條痕會(huì)造成一定的應(yīng)力集中，使疲勞裂紋優(yōu)先從此處萌生。但是從金相分析結(jié)果判斷，條痕缺陷在各齒底部均存在，只有1號(hào)齒裂紋叢此處起源，而且1號(hào)齒的金相上，另外一條裂紋起源于條痕缺陷的下方。所以綜合判斷，條狀缺陷不是導(dǎo)致齒底開裂的主要原因。而且可以排除齒根存在脫碳、夾雜及非馬氏體組織等缺陷，從而造成花鍵斷裂的可能[3]。

2失效原因分析

2.1對(duì)花鍵斷口分析

對(duì)花鍵端口綜合分析結(jié)果表明，1號(hào)花鍵的斷裂為疲勞斷裂。疲勞起源于齒底條痕處，裂紋源微觀形貌特征為沿晶，但是并沒有發(fā)現(xiàn)氫脆、回火脆的特征，而且沿晶區(qū)也可看到疲勞形貌。可以判斷，疲勞裂紋起源于齒底表層，因?yàn)楸砻孢M(jìn)行了感應(yīng)淬火處理，淬火硬化層在復(fù)雜的應(yīng)力條件下出現(xiàn)沿晶疲勞形貌是正常的。花鍵的疲勞斷裂和表面硬化層的熱處理無(wú)關(guān)。

2.2花鍵斷裂源區(qū)能譜及金相分析

通過(guò)對(duì)花鍵斷裂源區(qū)能譜及金相分析，可以排除花鍵齒根存在脫碳、折疊、夾雜以及原始裂紋等其他缺陷的可能。所以結(jié)合花鍵齒嚙合痕跡分析結(jié)果可以判斷，花鍵的斷裂是由于花鍵主要是齒頂嚙合，而不是在節(jié)圓處嚙合，這會(huì)使花鍵齒頂異常受力。

如果把整個(gè)齒比作一個(gè)杠桿，可以想象，齒頂受力會(huì)使力臂變長(zhǎng)，那么在同樣力的作用下，齒頂受力時(shí)，施加到齒根的力矩會(huì)比節(jié)圓受力時(shí)大一倍。在這種高應(yīng)力的情況下，容易從齒根條痕缺陷處發(fā)生疲勞萌生，甚至擴(kuò)展至斷裂。

當(dāng)疲勞裂紋擴(kuò)展到半軸處時(shí)，在半軸上形成表面的應(yīng)力集中，造成半軸在受扭轉(zhuǎn)應(yīng)力時(shí)，從齒底裂紋處萌生裂紋，發(fā)生扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂。這整個(gè)過(guò)程是一個(gè)快速的過(guò)程，條痕缺陷只是這個(gè)過(guò)程中的催化劑。它促進(jìn)裂紋從1號(hào)齒萌生擴(kuò)展，而其他齒還來(lái)不及擴(kuò)展，這就解釋了為何其他花鍵齒底沒有發(fā)現(xiàn)裂紋。

花鍵上其他幾條裂紋均從齒面節(jié)圓處起源，這些裂紋都是花鍵上獨(dú)立存在的，和整個(gè)半軸斷裂無(wú)關(guān)。經(jīng)過(guò)推斷這是半軸發(fā)生開裂后，花鍵的整個(gè)受力狀況發(fā)生變化，出現(xiàn)齒頂?shù)拇螨X和齒頂?shù)钠趧兟洹?/p>

2.3花鍵部位金相及硬度分析

通過(guò)對(duì)花鍵金相及硬度的對(duì)比分析，結(jié)果表明失效花鍵的表面硬度和芯部硬度均偏低，表面金相組織分析結(jié)果也存在差異。這說(shuō)明花鍵表面在感應(yīng)淬火后的回火溫度可能過(guò)高，造成表面硬度的降低[4]。對(duì)于軸類零件而言，軸的表面承受較大的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，表面硬度的高低會(huì)直接影響其抗扭轉(zhuǎn)疲勞的性能。盡管這不是造成此次失效的主要原因，但是也應(yīng)加強(qiáng)控制，避免表面硬度過(guò)低對(duì)半軸耐久壽命產(chǎn)生不利影響[5]。

此外，齒底的條痕深度如果太深或者過(guò)渡不良，也會(huì)在一定程度上造成齒底的應(yīng)力集中。盡管條痕狀缺陷不是造成此次失效的主因，如果控制不當(dāng)，也有較大的危害。建議在加工后對(duì)齒底進(jìn)行修磨，避免齒底出現(xiàn)過(guò)深的條痕狀缺陷。

3結(jié)束語(yǔ)

（1）失效半軸的斷裂分為2個(gè)階段，第一階段為花鍵根部出現(xiàn)彎曲疲勞裂紋并擴(kuò)展;第二階段為花鍵根部彎曲疲勞裂紋形成并擴(kuò)展到一定程度后，這一裂紋尖端最終成為扭轉(zhuǎn)疲勞的裂紋源，并以此產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)疲勞致最終斷裂。

（2）花鍵齒根的開裂主要是因?yàn)榛ㄦI發(fā)生齒頂?shù)漠惓Ш希过X根受力異常，導(dǎo)致花鍵沿齒根發(fā)生開裂。

（3）建議改善半軸疲勞試驗(yàn)的方式，避免花鍵齒的齒頂局部嚙合。同時(shí)改進(jìn)感應(yīng)淬火后的回火工藝，保證半軸的表面硬度及芯部硬度符合技術(shù)要求。改善花鍵齒的加工工藝，避免過(guò)深或過(guò)陡的條痕缺陷出現(xiàn)。

所以綜合以上分析可知，造成此次半軸斷裂的主要原因是花鍵的嚙合不良造成花鍵齒頂異常受力。較大的彎曲力矩作用與花鍵的齒根，使裂紋從齒根條痕缺陷處萌生，擴(kuò)展。當(dāng)裂紋擴(kuò)展至齒底時(shí)，在半軸表面產(chǎn)生應(yīng)力集中，在扭轉(zhuǎn)應(yīng)力作用下，使半軸發(fā)生扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂。

【參考文獻(xiàn)】

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作者簡(jiǎn)介：

歐長(zhǎng)高，本科，工程師，研究方向?yàn)槠囼?qū)動(dòng)橋。