汽車被動帶輪軸斷裂原因分析

王其榮+黃陽+林蔓+王堅

摘 要：文章通過對斷裂失效件的汽車被動帶輪軸外觀檢查，宏觀及微觀斷口分析，確定被動帶輪軸斷裂性質為高周疲勞斷裂。同時抽取完成長試的被動帶輪軸與斷裂失效件進行冶金質量、化學成分、微觀組織及硬度對比分析，找到了導致被動帶輪軸斷裂的主要原因是螺紋底部存在明顯尖角，致使工作過程中疲勞裂紋萌生并擴展。

關鍵詞：被動帶輪軸；應力集中；高周疲勞；斷裂

引言

汽車被動帶輪軸（以下簡稱失效件）工作過程中螺紋部位發生斷裂，被動帶輪軸材料20CrMnTiH，最終熱處理狀態為滲碳淬火+回火，滲碳時螺紋部位進行防滲處理，后經高頻退火，硬度要求為320～450HV0.3。工作時帶輪軸螺紋部位承受軸向拉應力。

1 冶金分析

1.1 外觀檢查

被動帶輪軸斷裂位于螺紋一側，距軸頸端面約6mm，位于齒輪端一側的第四道螺紋處（螺紋根部），斷面與零件軸向基本垂直，局部放大觀察，斷裂部位存在輕微的軸向塑性變形，軸頸部位可見明顯的周向的摩擦痕跡。見圖1、圖2。

1.2 斷口分析

對被動帶輪軸斷裂部位進行斷口分析：斷面呈灰黑色，可見兩個明顯的平坦，平坦區占整個斷面面積約95%，見圖2。平坦區可見明顯的疲勞弧線和放射棱線，由疲勞弧線收斂的方向判斷，斷裂均起始于螺紋根部表面，起始位置可見明顯的疲勞臺階，未見冶金缺陷，呈線源特征。經掃描電鏡觀察，斷口擴展區微觀可見細密的疲勞條帶，見圖3。瞬斷區為韌窩特征。

1.3 金相剖切檢查

經金相剖切檢查：失效件被動帶輪軸螺紋根部可見明顯的尖角（應力高度集中），長試件被動帶輪軸螺紋根部圓滑過渡，見圖4。零件脆性及塑性非金屬夾雜均為0.5級。經腐蝕后觀察：失效件、長試件螺紋處表面及心部組織基本一致，表面為滲層組織，心部為索氏體+大量貝氏體。

1.4 成分分析

經化學定量分析，失效件與長試件被動錐齒輪化學成分基本相當，均符合20CrMnTiH技術要求，結果見表1。

1.5 硬度檢測

經顯微硬度檢查，失效件與長試件被動錐齒輪近表層硬度基本一致，均約為400HV0.3，均符合設計要求。心部硬度基本一致，均約為270HV0.3。

2 原因分析

2.1 斷裂性質分析

經宏觀及微觀斷口分析，失效件被動帶輪軸斷面宏觀呈灰黑色，較平坦，可見明顯的疲勞弧線和放射棱線，擴展區微觀可見明顯且細密的疲勞條帶，分析認為該被動大輪軸斷裂性質為疲勞斷裂。由疲勞弧線收斂的方向判斷，斷裂均起始于螺紋根部表面，起始位置可見明顯的疲勞臺階，呈線源特征，疲勞區約占整個斷面的95%（瞬斷區5%），該特征表明，疲勞起始過程承受的循環載荷相對較小，應力集中影響較大，為典型的高周疲勞斷裂。

2.2 失效原因分析

通過冶金分析，失效件、長試件被動帶輪軸螺紋部位均未見早期的機加及熱處理缺陷，成分及表面硬度均符合設計要求。但失效件被動帶輪軸螺紋根部可見明顯的尖角（應力高度集中），長試件被動帶輪軸螺紋根部過渡相對失效件較為圓滑。綜合分析認為，失效件被動帶輪軸斷裂與其螺紋根部存在尖角，造成局部應力高度集中，工作過程中螺紋根部尖角部位疲勞裂紋萌生并擴展，最終導致被動錐齒輪軸斷裂失效。

3 結論及建議

（1）失效件被動帶輪軸斷裂性質為高周疲勞斷裂，疲勞起始于螺紋根部表面。

（2）建議加強被動帶輪軸螺紋根部加工質量的控制，避免螺紋根部過渡區尖角現象。

參考文獻

[1]張棟，鐘培道，陶春虎，等.失效分析[M].北京：國防工業出版社，2004.