轎車輪轂軸承法蘭盤斷裂失效分析

倪兆榮，楊紹榮，鄭躍剛

（金華職業技術學院機電工程學院，金華 321007）

0 引 言

轎車輪轂軸承法蘭盤是連接萬向節輸出軸與汽車輪轂的重要零件[1]，因此法蘭盤的質量直接關系到轎車的安全運行和可靠性[2]。某廠生產的某型號轎車輪轂軸承法蘭盤，材料為SAE1070鋼，采用模鍛工藝生產，主要加工工序為：原材料→熱鍛→等溫退火→車削加工→感應淬火→精加工。合格法蘭盤的表面應無裂紋、碰傷、鐵銹、油污、黑皮等缺陷，感應淬火后的硬度為60～64HRC，硬化層厚度為2.5～4.0 mm，顯微組織級別為3～5級[1]。在精加工過程中，某批次產品在大R角處發生開裂，見圖1所示，造成零件報廢，給企業造成了經濟損失。為了找出法蘭盤斷裂原因，減少損失，對其斷口形貌、化學成分、顯微組織等進行了分析。

圖1 失效法蘭盤的斷裂部位Fig.1 Fracture position in the failure flange

1 理化檢驗及結果

1.1 斷口的宏觀和微觀形貌

由圖2可見，失效法蘭盤斷口表面呈灰褐色、無光澤、晶粒粗大，裂紋源位于零件大R角表層，斷面有收縮，整個斷面具有宏觀脆性的微孔型斷裂特點[3-4]。用ZEISS EVO18型掃描電鏡對失效法蘭盤的斷口進行觀察。由圖3可見，斷口呈表層宏觀脆性斷裂、心部塑性斷裂的特點，裂紋源位于大R角表層，裂紋沿晶界微孔聚合，沿晶斷裂，斷口呈“萘狀斷口”；裂紋源區呈漣波、河流花樣及少量微坑混合的準解理斷裂特征；最后斷裂區以韌窩為主，孔坑及疊波花樣，屬于微孔型斷裂，是一種塑性變形為主導作用的延性斷裂[4]。微孔型斷裂的特點是微孔形成和連接時的塑性變形量很小，這是由高強度材料組織特點決定的，而這種組織對于裂紋的敏感性是非常大的。

圖2 失效法蘭盤斷口的宏觀形貌Fig.2 Macroscopic morphology of the fracture of the failure flange

圖3 失效法蘭盤斷口整體及不同區域的SEM形貌Fig.3 SEM morphology of the entire fracture and in different regions of the failure flange(a) entirety；(b) crack source zone and(c) last break area

1.2 化學成分

用QSN750型火花直讀光譜儀對斷口化學成分進行分析，結果如表1所示[5]。由表可知，該法蘭盤化學成分符合材料標準要求。

1.3 顯微組織

沿垂直斷口方向切割、制樣，用體積分數為4%的硝酸酒精溶液腐蝕后，用4XB型光學顯微鏡進行顯微組織分析；試樣經磨光、拋光后，在拋光態下用4XB 型光學顯微鏡觀察斷口上的微裂紋[6]。由圖4可見，在斷口邊緣發現與斷口平行的多條裂紋，裂紋方向和鍛造流線一致。按照ASTME45—2005標準分析非金屬夾雜物級別，結果見表2。從表2可見，失效法蘭盤組織中的非金屬夾雜物符合標準要求。由圖5可以看到，失效法蘭盤斷口表層的顯微組織為針狀馬氏體+板條馬氏體，按照JB/T9 204—2008標準，表面組織為馬氏體6級，不符合要求，說明斷口表層出現了過熱甚至過燒的情況；由圖6可見，斷口心部組織為粒狀珠光體+片狀珠光體，晶粒大小不均，有粗大晶粒存在，說明心部組織受斷口表層高溫的影響。由圖7可見，離斷口表層較近的區域有不少黑色氧化孔洞，在遠離斷口其它部位則沒有發現黑色氧化孔洞，說明斷口表層有部分區域出現了過燒現象。

表1 法蘭盤斷口的化學成分(質量分數)Tab.1 Chemical composition of flange fracture （mass） %

2 斷裂原因分析

綜上試驗結果可知，該轎車輪轂軸承法蘭盤化學成分符合標準要求。從斷口宏觀和微觀形貌分析，斷口表層部分區域組織經過高溫融化，導致晶粒嚴重圓鈍化以及表層覆蓋著熔融氧化物，心部組織晶粒粗大，推斷組織缺陷形成于中頻感應加熱淬火時；從垂直斷口切割試樣的金相分析可知，多條平行斷口微裂紋與流線方向一致，說明了裂紋源形成和裂紋的擴展沿流線方向進行；另外黑色氧化孔洞說明該區域經歷了高溫過燒，表層淬火馬氏體組織粗大，說明過熱、過燒發生在中頻感應加熱淬火工序；心部組織為粒狀珠光體+片狀珠光體，晶粒大小不均，有粗大晶粒存在，是因為心部組織受到斷口表層高溫的影響。軸向試樣非金屬夾雜物符合材料標準要求，沒有發現異常的非金屬夾雜物缺陷，而遠離斷口部位的試樣上沒有發現黑色孔洞缺陷，說明缺陷主要集中在法蘭盤大R角區域，即斷裂源區。如果是原材料疏松、殘余縮孔等缺陷，往往會伴隨著嚴重的夾雜物，而且隨著材料鍛造成型，缺陷會沿斷裂軸向擴展，不會僅僅局限于某一區域，因此可以排除斷裂是原材料缺陷所致。

圖4 斷口邊緣的微裂紋Fig.4 The micro cracks in the edge of fracture

圖5 失效法蘭盤斷口表層組織Fig.5 Microstructure of failure flange surface

圖6 失效法蘭盤斷口心部組織Fig.6 Microstructure of the core of the failure flange

圖7 失效法蘭斷口表層過燒部分形貌Fig.7 Surface morphology of burned part in the fracture of the failure flange

表2 非金屬夾雜物評定結果Tab.2 The results of non-metallic inclusion assessment

轎車輪轂軸承法蘭盤在精加工過程中發生開裂的原因是工件在中頻感應加熱淬火時，在大R角處出現尖角效應，致使大R角處產生過熱、過燒現象，導致工件的塑形、斷裂韌性等力學性能明顯下降。在精加工過程中，法蘭盤在高速旋轉砂輪的磨削作用下，受到切向力、徑向力和扭轉等復雜應力的作用，使大R角處表面形成微小裂紋源[7]。根據格里菲斯（Griffith）缺口強度理論，微小的裂紋形成后將形成應力集中，當此處的應力達到理論強度時，裂紋將迅速擴展而斷裂[4]，形成了圖2所示的斷面，斷面與工件軸線垂直，有回旋狀塑性變形痕跡，這是以切應力為主作用導致的結果。

3 結論與改進措施

（1）中頻感應加熱淬火工序中，感應加熱淬火工藝控制不當，在大R角部位出現了過熱、過燒是導致轎車輪轂軸承法蘭盤斷裂的主要原因。

（2）建議嚴格控制轎車輪轂軸承法蘭盤中頻感應加熱淬火工藝，防止過熱和過燒現象發生。

（3）建議在轎車輪轂軸承法蘭盤設計時適當增大R角，機加工過程中提高表面質量、降低表面粗糙度。

[1]孟國飛，肖昌源，呂建敏，等.轎車輪轂軸承法蘭盤外圈雙溝道表面超音頻感應器設計[J].金屬加工，2011（13）：26-27.

[2]黎桂華，李興林，李俊卿，等.轎車輪轂軸承單元性能分析與優化[J].軸承，2007（1）：38-41.

[3]朱凱，徐心潔，何軍，等.法蘭盤接頭斷裂原因分析[J].失效分析與預防，2013，8（3）：188-190.

[4]孫智，江利，應鵬展.失效分析基礎與應用［M］.北京：機械工業出版社，2005：87-101.

[5]安麗君.法蘭盤焊接裂紋原因分析[J].理化檢驗－物理分冊，2005，41（增）：524-526.

[6]盧書媛，顧偉，王衛忠，等.汽車轉向傳動軸斷裂原因分析[J].機械工程材料，2014，38（2）：102-104.

[7]倪兆榮，李志章，鄭一平.排氣閥桿鎖夾槽斷裂分析及機理研究[J].農業機械學報，2004，35（4）：208-211.