某型汽車轉向器輸出軸斷裂分析

沈 卓，柳榮華，梅朝君，張善慶

（1.江西機電職業技術學院，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

轉向器是汽車轉向系中的減速增扭傳動裝置，其功用是增大方向盤傳到轉向節的力并改變力的傳遞方向，而轉向器輸出軸，在使用過程中主要承受汽車轉向時產生的反復扭轉力作用。某型汽車轉向器輸出軸在裝配汽車后行使320公里左右時發生斷裂，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行宏微觀觀察和化學成分檢測,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，并對斷裂原因進行了分析。

1 實驗過程及結果

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域，斷面與軸向約呈45度，兩個對應斷口的宏觀形貌如圖2所示，整過斷口呈扭轉過載斷裂特征［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、裂紋擴展區和終斷區（如圖3所示），兩個對應斷口放射棱線的收斂方向為斷裂的源區位置，該斷口源區位于花鍵根部與光滑圓柱的交接處，如圖3、圖4箭頭所指，源區處未發現明顯的冶金缺陷及加工損傷等缺陷；擴展區表面分布大量的放射棱線；終斷區有剪切唇存在，終斷區表面較光滑，顏色較亮（該區域位于滲碳層處，或因局部磨損而發亮）；斷口的宏觀形貌可以看出該斷口大部分區域表面粗糙顏色較深，從撕裂棱線所指示的位置看，圖2中可以看出右側斷口形貌和左側斷口形貌一致并一一對應。

圖1 轉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

將右側斷口放入掃描電子顯微鏡下觀察，該斷口源區處的形貌如圖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，在裂紋擴展區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生的，最后斷裂區形貌如圖7所示，為沿晶+韌窩的形貌。

圖5 斷口源區形貌

圖7 斷口斷裂區形貌

1.3 硬度檢測

轉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，未發現粗大過熱現象。

按QC/T262-1999《汽車滲碳齒輪金相檢驗》[3]標準要求評定：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《用標準圖譜評定鋼中非金屬夾雜物的顯微方法》[3]標準評定：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 化學成分分析

在斷裂軸上取粉末試樣進行化學成分檢測，檢測結果如表1所示。符合標準GB/T3077-1999《合金結構鋼技術條件》[4]20CrMnTi的技術要求。

表1 化學成分檢測結果（wt%）

2 結果分析與討論

1）該零件硬度符合圖紙要求，化學成分符合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，從以上結果看，該零件材質及熱處理工藝應該沒問題。

2）該斷口源區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，易產生應力集中，且又是滲碳層，對裂紋的形成起著一定的促進作用。

3）該零件斷口上雖然發現有夾雜物存在，但是，從夾雜物周圍的斷裂痕跡看，未發現由夾雜物發散出來的棱線，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應力主導下進行擴展的，在裂紋擴展過程中未產生由材料內部缺陷引起的裂紋轉折現象，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]，宏微觀斷口均未發現疲勞貝殼紋與疲勞輝紋[6]，斷口表面粗糙，沒有腐蝕現象，因此可排除疲勞斷裂和應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應力基本吻合，源區的沿晶+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生這樣的形貌，該斷口裂紋擴展區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力作用下由于原子結合鍵的破壞而造成的沿一定晶體學平面快速分離的過程，在該斷口裂紋擴展到最后斷裂區，該區域也是滲碳層區，所以也是呈沿晶+韌窩形貌。

3 結論

1）轉向器輸出軸的斷裂是由于較大載荷而產生的過載斷裂。

2）轉向器輸出軸的斷裂與其材質及加工質量無關。

[1]蒙秋紅, 張麗.某新型裝載機前橋半軸斷裂失效分析及改進措施[J].工程機械, 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, 合金結構鋼技術條件[S].

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

[6]機械設計手冊編委會, 失效分析和故障診斷[M].北京:機械工業出版社, 2007.05: 14-17.