驅(qū)動軸失效案例分析

鞠偉,符永明,蔡穎穎

(工業(yè)和信息化部電子第五研究所元器件可靠性研究分析中心，廣東廣州 510610)

驅(qū)動軸失效案例分析

鞠偉,符永明,蔡穎穎

(工業(yè)和信息化部電子第五研究所元器件可靠性研究分析中心，廣東廣州 510610)

采用化學、金相及掃描電鏡(SEM)等方法對兩根表面具有裂紋的驅(qū)動軸的裂紋產(chǎn)生的原因進行分析。結(jié)果表明：A驅(qū)動軸的裂紋屬于淬火裂紋，是熱處理過程中產(chǎn)生的；B驅(qū)動軸的裂紋是鋼材本身的內(nèi)部雜質(zhì)所致。

驅(qū)動軸；裂紋；熱處理

0 引言

汽車裝備有大量用來傳遞扭矩、輸出軸功的驅(qū)動軸，由于軸件的工作環(huán)境復雜、載荷多變，因此給軸件的裂紋、斷裂等分析帶來很多困難，這些困難主要表現(xiàn)在軸件的制造材料、幾何應力集中以及扭轉(zhuǎn)工作載荷等因素對其產(chǎn)生的影響[1]。

文中有兩根表面具有裂紋的驅(qū)動軸，記為A驅(qū)動軸、B驅(qū)動軸。A驅(qū)動軸經(jīng)受過沖擊試驗，承受的扭矩載荷約為160 N·m，80次沖擊試驗后經(jīng)磁粉探傷發(fā)現(xiàn)有裂紋。B驅(qū)動軸沒有使用過，經(jīng)磁粉探傷發(fā)現(xiàn)有裂紋。兩根驅(qū)動軸的材質(zhì)均為Y1Cr13不銹鋼。驅(qū)動軸的生產(chǎn)流程為原材料→熱處理(淬火+回火)→粗加工→銑花鍵→外圓磨。以下分析兩根驅(qū)動軸裂紋產(chǎn)生的原因。

1 試驗方法

1.1 外觀檢查

將驅(qū)動軸表面用酒精清洗后，目測及在立體顯微鏡下觀察兩根軸表面的裂紋形貌。兩根驅(qū)動軸的裂紋較直，且均沿著驅(qū)動軸的軸線方向。截取裂紋處的驅(qū)動軸，用目測及金相顯微鏡觀察驅(qū)動軸的裂紋深度發(fā)現(xiàn)：A驅(qū)動軸的裂紋深度為3～4 mm，裂紋較深；B驅(qū)動軸的裂紋深度為0.18 mm，裂紋較淺。代表性外觀照片見圖1—2。

1.2 化學成分分析(ICP-OES)

由于鋼材中各元素成分的含量高低直接影響到產(chǎn)品的各項力學性能好壞，為了確認是否由于驅(qū)動軸材質(zhì)成分的不合格而導致其產(chǎn)生裂紋，根據(jù)GB/T 1220-2207及GB/T 223的要求，使用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀(ICP-OES)對A、B驅(qū)動軸進行精確定量的化學成分分析。結(jié)果(詳見表1)顯示：A、B驅(qū)動軸材質(zhì)的各個元素項目均符合Y1Cr13鋼材的技術要求。

表1 A驅(qū)動軸的化學元素成分(質(zhì)量分數(shù)) %

1.3 硬度測試

依據(jù)GB/T 1220-2007的要求，測試A、B驅(qū)動軸的布氏硬度，測試結(jié)果見表2。

表2 A、B驅(qū)動軸的布氏硬度測試結(jié)果

1.4 顯微組織

截取裂紋處的驅(qū)動軸，將驅(qū)動軸固封制成切片后，經(jīng)拋光腐蝕觀察驅(qū)動軸的顯微組織并得到金相組織照片，見圖3和圖4。金相組織照片顯示：A驅(qū)動軸邊緣的組織和中心的組織均為回火馬氏體，且組織均勻，為正常的回火組織；A軸裂紋兩側(cè)有輕微的氧化脫碳現(xiàn)象，但裂紋最深處的尖端部位并沒有脫碳現(xiàn)象；B驅(qū)動軸邊緣的組織和中心的組織也均為回火馬氏體，且組織均勻，為正常的回火組織，B軸的裂紋處發(fā)現(xiàn)有異物。

1.5 斷口形貌觀察

為了對異物進行進一步分析，采用SEM掃描電鏡進行觀察。通過觀察發(fā)現(xiàn)，該異物并非基體組織。采用能譜分析異物成分，發(fā)現(xiàn)該異物中的氧含量很高。

2 分析與討論

A、B驅(qū)動軸的成分分析和硬度測試均滿足GB/T 1220-2007不銹鋼棒的技術要求。金相觀察發(fā)現(xiàn)：A驅(qū)動軸的組織為回火馬氏體，是正常的回火組織，但裂紋兩側(cè)存在輕微的脫碳現(xiàn)象，說明A驅(qū)動軸的裂紋是在沖擊試驗之前的熱處理過程中產(chǎn)生的；而裂紋最深處的尖端部位并沒有脫碳，是因為尖端部位的裂紋是熱處理裂紋在沖擊試驗過程中擴展所致。脫碳現(xiàn)象的產(chǎn)生原因是由于鋼中的碳在高溫下與空氣中的氧氣產(chǎn)生了反應。A驅(qū)動軸在淬火時產(chǎn)生裂紋，空氣中的氧氣沿著裂紋與裂紋兩側(cè)鋼中的碳產(chǎn)生反應，便形成一層輕微的脫碳層。淬火過程中由于鋼材中會產(chǎn)生較大的熱應力和組織應力，當應力值大于鋼材的強度極限時便會產(chǎn)生開裂。對于完全淬透的淬火鋼棒，其產(chǎn)生的淬火裂紋為縱裂，即沿著軸向開裂[2-3]。

金相觀察發(fā)現(xiàn)：B驅(qū)動軸的組織為回火馬氏體，也是正常的回火組織，但裂紋處有異物，經(jīng)SEM及能譜分析該異物的成分，發(fā)現(xiàn)氧含量很高。根據(jù)異物的形貌和成分分析可以判斷該異物是鋼材中的夾雜物。夾雜物的存在破壞了基體的連續(xù)性，會降低鋼的強度。根據(jù)委托單位提供的信息，B驅(qū)動軸并沒有經(jīng)受過沖擊試驗，說明B驅(qū)動軸的裂紋是由于鋼材本身的內(nèi)部夾雜所致。

3 結(jié)論

A驅(qū)動軸的裂紋屬于淬火裂紋，是熱處理過程中產(chǎn)生的；B驅(qū)動軸的裂紋是鋼材本身的內(nèi)部夾雜所致。

【1】 柴志剛.常見旋轉(zhuǎn)軸件的斷裂特點及斷口[C]//全國第七屆航空航天裝備失效分析研討會,北京,2012：16-20.

【2】 張棟,鐘培道,陶春虎,等.失效分析[M].北京：國防工業(yè)出版社,2004：204-205.

【3】 王永慶.30CrMnSiNi2A螺栓斷裂分析[J].理化檢測：物理分冊,2000,36(10):461-463.

FailureAnalysisoftheDriveShaft

JU Wei, FU Yongming, CAI Yingying

(Reliability Research and Analysis Center, The Fifth Research Institute of MIIT, Guangzhou Guangdong 510610，China)

The causes of crack for the two drive shafts were researched through chemical, metallographic and scanning electron microscopy (SEM) analyses. The results show that the crack of A drive shaft belongs to the quenching crack which is produced in the heat treatment process; the crack of B drive shaft is caused by internal inclusions in steel.

Drive shaft; Crack; Heat treatment

2014-08-13

鞠偉(1983—)男，碩士，工程師，主要從事材料檢測分析。E-mail:juwei204@163.com。