汽车后桥半轴断裂失效分析

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摘要: 某新型汽车在试验过程中发生后桥半轴断裂故障。重点对断裂半轴的断口外观进行宏观及微观检查察，结合金相组织检查、淬火层厚度检查、硬度检测、化学成分分析、冲击性能测试和残余应力测试，确定半轴的断裂性质，并对其断裂原因进行了分析。结果表明，导致半轴断裂的主要原因有淬硬层组织异常、深度相对较深等因素。

关键词: 汽车后桥半轴； 断裂失效；

0引言

失效半轴材料牌号为40Cr，原材料要求参照标准GB3077-88。半轴材料牌号为40Cr，原材料要求参照标准GB3077-88。半轴技术要求参照《QC/T 294-1999》，基本加工流程：锻造-机加工-调质-中频淬火-磨削加工-磁粉探伤。在汽车传动系统中的后桥半轴是关键安全零件之一，为解决半轴断裂故障，准确地分析其失效形式及产生因素，对半轴结构、载荷性质、应力分布等因素及与各种失效形式之间的关系进行了综合分析。

1试验过程与结果

1.1半轴外观及断口宏观检查

汽车后桥半轴断裂发生在轴杆中部，该部位为中频感应淬火区。断轴外观断裂处未见明显变形，基本位于半轴中部。法兰盘杆部和花键杆部外观完整，未见明显变形，半轴表面光亮，未见腐蚀痕迹。

半轴匹配断口宏观形貌见图1，半轴断口基本垂直轴向，断面平齐。断面分为心部灰色韧断区、中部银亮色环形区和灰色脆断区三部分，见图1a。心部相对粗糙，中部环形区表面可见周向摩擦变形，断面可见明显的人字纹状放射棱线，棱线汇聚于轮轴一侧近表面，此处为裂纹源区位置，见图1b。

1.2断口微观观察

将轴断口切取后经丙酮超声波清洗后在体式显微镜下进行观察，可见半轴为单点起源，断口中间环形亮带表面磨损，在淬火层裂纹扩展中后期表面存在弧线状挤压损伤，裂纹源区相对一侧淬火区断面存在一条明显的宏观二次裂纹。

将断口放入扫描电镜进行观察。断口源区形貌见图2，单点起源，源区位于半轴表面，源区未见材质缺陷，靠近源区为沿晶+韧窝断裂特征，扩展阶段以准解理+韧窝断裂特征为主。扩展中后期可见弧形磨损痕迹，源区相对一侧为快速扩展特征，表面二次裂纹断裂形式与断口相同。

1.3 组织检查

1.3.1 显微组织

在半轴断裂处抛光后检查夹杂物，横截面上可见点状夹杂，纵截面上以点状夹杂为主，局部可见条形硫化物夹杂，见图3。未见明显异常。将试样腐蚀后进行观察，高倍下淬火区呈树枝状，基体以细马氏体为主，晶界上存在灰黑色的托氏体组织，；心部可见大脑状组织，其中基体以回火索氏体和少量铁素体为主，黑色团絮状组织与其它部位无明显差异，，应为元素偏析的表象。

1.3.2 扩散退火组织

在半轴心部取样进行扩散退火处理，淬火之后制备横纵向金相试样，其组织为淬火马氏体，颜色均匀，偏析现象基本得以消除。

1.4 淬火层厚度检查

采用硬度法测试断裂半轴轴台处的淬硬层。按照图纸要求测定结果可知半轴淬火层（6.8mm～6.9mm）处于技术要求(3.5mm～7mm)范围内，但处于上限。

1.5 硬度检测

对半轴进行硬度测试，并参照GB/T 1172-1999进行相关硬度换算，结果半轴轴台截面的表面硬度、心部硬度均合格。

1.6 化学成分检测

在半轴端口处取样进行光谱直读分析，结果见表1。半轴化学成分C、Cr含量偏高。

1.7 残余应力分析

在半轴轴断口出取样，测试室温冲击性能，由表及里的残余应力分布情况结果见表2。

表2断裂半轴淬火区残余应力分布情况

2分析与讨论

2.1失效性质分析

由断口分析结果表明，半轴断裂起源于半轴表面，淬硬层为沿晶、准解理与少量韧窝混合特征，存在宏观二次裂纹；中部圆环为周向扭转磨损特征，心部为韧窝断裂特征。从断裂形貌上判断，半轴是在以弯曲载荷为主的弯扭复合载荷作用下发生的脆性断裂，扭转载荷非主因素；裂纹首先在半轴表面起源，沿着脆性的淬硬层向两侧快速扩展，韧性的心部在弯扭载荷下最终断裂。

材质、性能检验结果表明，半轴心部组织、硬度基本正常，半轴心部为最终断裂区，因此半轴断裂与心部状态没有直接关系。半轴淬火层为细马氏体+沿晶托氏体，为感应淬火不足组织，其脆性和内应力较大。并且半轴存在偏析，偏析宏观上的表现是半轴的硬度变化及分散性大，微观上由于偏析，从而造成较正常情况下更大的内应力。造成上述组织不良现象一方面与半轴感应淬火加热冷却过程控制有关，另一方面半轴存在明显的元素偏析现象，并且 C元素含量高于40Cr钢的上限，含碳量偏高时，钢的相变点 AC3、Ar3剧烈下降，使钢的淬裂敏感性增加，淬火组织脆性、内应力也增大。这些材质及热处理因素导致了相同的结果――半轴淬火区内应力水平高、脆性大，这对半轴抗冲击能力极为不利。

除了上述因素，QC/T 294-99标准中规定感应淬火区深度为轴径的10%～15%，而断裂半轴感应淬火层的深度接近工艺要求的上限，相对过深的淬硬层必然导致半轴整体刚性、脆性增大，抗冲击能力的下降。

2.2失效原因分析及改进措施

综合上述试验结果，半轴的断裂与多方面因素有关：

1）半轴淬硬层组织异常（细马氏体+沿晶托氏体）导致组织应力增大，淬硬层脆性增大，抗以弯曲为主的冲击载荷能力减弱；2）半轴淬硬层深度占轴径比例过大，整体脆性增大；3）半轴轴段淬硬层相对过深，导致表面残余压应力较大，降低了半轴的承载能力；4）可能存在淬火后低温回火不充分的问题，残余应力未得到释放。

要解决此类问题，建议对生产现场进行严格检查，采用综合的改进措施：1）淬硬层深度按照工艺要求中下限处理；2）严格进行原材料的成分检验，原材料必要时进行扩散退火，消除偏析；3）感应淬火保证足够的加热温度、冷却速率和后续低温回火；4）提高半轴表面光洁度。

3结论

（1）半轴是在以弯曲载荷为主的弯扭复合载荷作用下发生的脆性断裂；

（2）半轴的断裂与多方面因素有关：1）半轴淬硬层组织异常导致组织应力增大，淬硬层脆性增大，抗以弯曲为主的冲击载荷能力减弱；2）半轴淬硬层深度占轴径比例过大，整体脆性增大；3）半轴断裂轴段淬硬层相对过深，导致表面残余压应力较大，降低了半轴的承载能力；

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