某車型半軸斷裂失效分析

蘇安喜 宋文強 向冤梅 吳錫華 曾桂蓮 何萬珣

摘 要：汽車半軸是汽車驅動橋結構中非常重要的部件，起著動力傳遞、改變轉速聯結的重要作用，如果出現斷裂失效會導致非常嚴重的后果。針對某車型開發試驗中半軸在極限保壓試驗過程中發生斷裂的問題，通過宏觀斷口分析、微觀斷口分析、硬度檢測、金相分析查找出了導致半軸斷裂的原因。分析結果表明：斷口為韌性斷口，微觀形貌為沿晶斷裂和韌窩形貌，顯微組織外圈為回火馬氏體，心部組織為珠光體和鐵素體，主要斷裂原因是半軸受外力扭轉過載導致斷裂失效。另外，芯部存在帶狀組織和網塊狀鐵素體，在一定程度上降低了晶界的結合強度，促進了半軸的斷裂。帶狀組織可能是鑄造過程中合金偏析造成的，且未經過正火消除。網塊狀鐵素體可能是半軸在熱處理時淬火溫度過高或保溫時間過短或冷卻速度過快形成的。

關鍵詞：汽車半軸 斷口分析 金相分析

Abstract：Half Shaft is a very important part of the vehicle drive axle， which plays an important role in power transmission and changing the speed connection. If fracture failure， it will lead to very serious consequences.Aiming at the problem that the half-shaft fracture occurred in the process of the ultimate pressure holding test in the development test of a certain vehicle model， the cause of the half-shaft fracture was found out through the Macroscopic fracture analysis， Microscopic fracture analysis， hardness detection and metallographic analysis analysis.The results show that the fracture is ductile， the microstructure is intergranular fracture and dimplex morphology， the outside of microstructure is tempered martensite， and the inside microstructure is pearlite and ferrite. The main reason for the fracture failure is torsional overload caused by external force on the half-axis.In addition， There are banded structures and massive ferrites in the interior， It reduces the binding strength of grain boundaries to a certain extent and promotes the fracture of the semi-axis.The banded structure may be caused by alloy segregation in the casting process， and it has not been normalized.The bulk ferrite may be formed by high quenching temperature or short holding time or too fast cooling rate during heat treatment.

Key words：automobile axle fracture analysis Metallographic analysis

1 前言

某車型的汽車半軸在主機廠內進行非常規極限破壞保壓試驗時，檢測人員連續加大油門，與此同時讓卡鉗處于未釋放的鎖止狀態。在三次踩踏油門后，聽到發動機艙有異響發生，且有明顯打齒的聲音。經過初步檢查未發現異常，檢測人員重新準備測試車輛。當車輛起步時，出現異常頓挫。隨后檢測人員把車輛移至舉升機，經檢查發現半軸發生斷裂。斷裂位置處于花鍵一側，分裂為剩余半軸、花鍵、以及半軸碎片Ⅰ和半軸碎片Ⅱ。由于是極限工況測試，發生的意外斷裂本身存在潛在可能性。試驗目的之一是需要找出潛在失效原因，為后期開發提供研發思路。斷裂的半軸部分如圖1所示。

2 斷口分析

2.1 宏觀斷口分析

2.1.1 斷掉的半軸部分為花鍵，由于半軸部分被磨損為光滑面，不利于分析斷裂原因，因此選取花鍵部分進行宏觀的斷口形貌分析。使用Leica Dec295體式顯微鏡觀察斷口。如圖2，可以看出在斷裂截面上從外到內組織層次分明，外部有明顯金屬光澤，略有反光。內部韌性斷裂痕跡明顯，未見明顯缺陷，斷裂方向呈順時針方向，見圖2黃色箭頭。斷口有明顯的扭轉撕裂痕跡。斷裂源處于花鍵外圓，向中心擴展。于此同時未見白點、夾雜、折疊等其他可見缺陷。

2.1.2 圖3為斷裂半軸與圖1花鍵中間掉的碎片，共2塊小碎片，為半軸碎片Ⅰ和半軸碎片Ⅱ。可與花鍵端嚙合但不能完全嚙合成軸狀，可能還有碎片在斷裂失效時磨損或丟失。進行宏觀斷口觀察，半軸碎片Ⅰ和半軸碎片Ⅱ外表面都有擦傷痕跡，是半軸帶動花鍵在高速旋轉中，強行被中止摩擦產生的，該痕跡與半軸磨平部位形貌能夠相互印證，于此同時未見白點、夾雜、折疊等其他可見缺陷。

2.1.3 疲勞斷裂一般是從工件表面應力集中處或材料缺陷處發生的。在實際疲勞斷裂失效中，一般具備應力狀態特征、斷口宏觀形貌特征和微觀形貌特征三者之一。[1]從宏觀形貌上看，半軸斷裂部位、半軸碎片Ⅰ和半軸碎片Ⅱ未發現疲勞裂紋、疲勞臺階、線痕的方向、疲勞弧線、疲勞溝線等疲勞特征，不具備疲勞源。

2.2 微觀斷口分析

2.2.1 使用掃描電鏡觀察半軸花鍵端，掃描位置見圖4中A1、A2、A3。另外使用掃描電鏡觀察圖3中的半軸碎片Ⅰ和半軸碎片Ⅱ的微觀形貌。

2.2.2 圖5至圖7為分別為半軸A1、A2、A3部位的微觀形貌。圖中可以看出明顯的沿晶斷裂和韌窩。半軸花鍵與宏觀斷口的形貌相互印證，屬于韌性斷裂。

2.2.3 圖8、圖9為半軸碎片Ⅰ和半軸碎片Ⅱ的微觀形貌，也具有明顯的沿晶斷裂及韌窩形貌。

2.3 硬度檢測

使用洛氏硬度計TH320檢測半軸斷口的洛氏硬度，見表1。從硬度上看，半軸的洛氏硬度符合產品要求。排除因硬度不足造成失效的可能性。

3 金相組織

3.1 試樣的制備

金相試樣磨面的尺寸通常150mm2～400mm2之間。一般情況下，磨面越大，試樣高度越低，穩度越大，越有利于對試樣的平穩控制。通過切割樣件、鑲嵌試樣、粗磨、細磨、拋光等試驗制備工序制成金相樣品，然后經過4%的硝酸酒精侵蝕制成待測試樣。

3.2 組織分析

3.2.1 使用ZEISS AIO IMAGER-M1正置式顯微鏡觀察金相組織。圖10、圖11是半軸花鍵部位外圈組織，為回火馬氏體。有明顯馬氏體板塊晶粒形態存在。

3.2.2 圖12、圖13分別為心部100X、400X金相圖。心部組織為顆粒狀或聚集形成的片狀形態的珠光體和網狀分布的鐵素體。由圖12可以看到片狀的珠光體呈現帶狀分布，碳元素分布不均。

4 分析與討論

4.1 材料設計及試驗工況的問題

經過調查，該半軸材料為55#與40Cr聯結構成，而斷裂部分的半軸為55#鋼。40Cr鋼是常用的中碳低合金高強度調質鋼，其抗拉強度、屈服強度及淬透性等指標均優于55鋼，應用十分廣泛，汽車行業半軸普遍選用40Cr。半軸在運轉過程中，經常出現沖擊載荷，還可能出現偶然的不正常運轉引起的超負荷運轉，選材涉及應選擇安全系數較大的情況。按公司相關設計要求，半軸的設計峰值扭矩要超過實際結合動載扭矩極限的2倍多。該選材設計思路是部分半軸使用55#鋼替代40Cr從而減少成本，然而事實證明兩端的材料強度極限不一致，在極限情況下會增大了斷裂風險，導致失效。試驗工況是極限非常規測試，目的是為了驗證傳動系統的薄弱點以及驗證替代材料對整個系統的影響，試驗本身的斷裂潛在風險就非常高。

4.2 對半軸花鍵斷口的分析

從宏觀斷口上看，半軸外圈有明顯的撕裂痕跡和擴展痕跡。斷裂源處于外圈，逐步向心部擴展，無明顯腐蝕特征，整體可見扭轉型塑性變形特征。從掃描電鏡微觀形貌觀察，半軸花鍵的A1、A2、A3部位都是沿晶斷裂及韌窩，且半軸碎片Ⅰ和半軸碎片Ⅱ也是沿晶斷裂及韌窩，表明半軸花鍵部位斷裂為扭轉型過載斷裂。[2]半軸在進行非常規極限破壞保壓試驗時，由于檢測人員連續加大油門增加輸出扭矩，又使卡鉗處于鎖止狀態，此時半軸承受相當強烈的沖擊載荷，最終達到半軸強度脆弱部分的扭轉強度極限，從而導致斷裂失效。

4.3 熱處理的問題

經過調查，該半軸失效部分工藝為：機加工后經過840℃淬火和185℃低溫回火，保溫時間90min。從工藝上看屬于普通碳素鋼淬火加低溫回火工藝。由圖12、圖13看出，半軸淬火實際的溫度可能較高，高溫保溫時間可能較短，冷卻較快形成網狀的鐵素體。理論上來講加熱溫度過高會導致奧氏體晶粒長大，淬火降溫時，45#鋼的淬透性不足，芯部相當于只經受了一次正火處理，且因為溫度不足，甚至無法獲得正火組織的性能[3]。從圖12可以看出，珠光體與鐵素體呈帶狀分布。鐵素體－珠光體帶狀組織也稱為二次帶狀組織或者“顯微組織帶狀”，影響帶狀組織的因素很多，但是帶狀程度主要取決于合金元素的枝晶偏析、連續冷卻的冷卻速度以及奧氏體晶粒大小。一般認為，錳的偏析是鋼中產生帶狀組織的主要原因。帶狀組織會造成鋼材的各向異性，使鋼材的沖擊韌性、塑性、可切削性變差，還會增大氫致開裂傾向，通常帶狀組織可以通過正火予以消除。

5 結論及建議

5.1 失效半軸的斷裂分為2個階段，第一階段為半軸花鍵受外力超出扭轉強度極限產生斷裂源；第二階段為斷裂源向內部中心擴展最終產生扭轉型過載斷裂。由于是開發試驗過程中的極限測試，斷裂破壞屬于正常情況。

5.2 半軸設計選材不合適，碳素鋼淬透性差，外部與內部組織不均勻，整體強度、韌性及沖擊韌性都會受到影響。結合汽車半軸實際工況，建議設計時優先使用合金鋼。

5.3 熱處理不當導致出現不合格組織是誘因。在半軸熱處理過程中，淬火加熱溫度過高、保溫時間過短或者冷卻過快，鐵素體呈網狀分布，從而使半軸性能下降。另外，加工原材料的帶狀組織雖不是致半軸斷裂的主要原因，卻對半軸的綜合性能有一定影響。建議要嚴 格要求供應商在原材料檢驗以及熱處理過程中的質量控制。

參考文獻：

[1]李海明．40Cr鋼汽車半軸斷裂原因分析[J].理化檢驗-物理分冊，2016（08）：589-593.

[2]梁威．某核電站閥桿斷裂失效分析[J].金屬加工（熱加工），2022，（08）：71-73.

[3]蔡珍，黃運華，張躍，劉靜.冷卻速度對鐵素體-珠光體帶狀組織的影響機制.[J].鋼鐵研究學報，2012（06）：25-30.