某型汽车转向器输出轴断裂分析

沈 卓，柳荣华，梅朝君，张善庆

（1.江西机电职业技术学院，南昌 330012；2.江铃股份有限公司，南昌 330001；3.北京航空材料研究院，北京 100095）

0 引言

转向器是汽车转向系中的减速增扭传动装置，其功用是增大方向盘传到转向节的力并改变力的传递方向，而转向器输出轴，在使用过程中主要承受汽车转向时产生的反复扭转力作用。某型汽车转向器输出轴在装配汽车后行使320公里左右时发生断裂，正常输出轴使用寿命为60～100万公里；由于使用寿命很低，故为早期非正常失效［1］。该零件材料为20CrMnTi，热处理工艺过程为：表面渗碳→淬火→高温回火，本文通过对零件的断口进行宏微观观察和化学成分检测,并检查了断裂轴的金相组织和硬度，确定了零件的断裂性质，并对断裂原因进行了分析。

1 实验过程及结果

1.1 断口宏观观查

该零件的外观形貌如图1所示，整个零件完全断开，断口位于该零件光滑圆柱面和花键槽根连接的区域，断面与轴向约呈45度，两个对应断口的宏观形貌如图2所示，整过断口呈扭转过载断裂特征［2］，断口附近没有明显宏观塑性变形特征，整个断口基本上可分为3个部分，裂纹源区、裂纹扩展区和终断区（如图3所示），两个对应断口放射棱线的收敛方向为断裂的源区位置，该断口源区位于花键根部与光滑圆柱的交接处，如图3、图4箭头所指，源区处未发现明显的冶金缺陷及加工损伤等缺陷；扩展区表面分布大量的放射棱线；终断区有剪切唇存在，终断区表面较光滑，颜色较亮（该区域位于渗碳层处，或因局部磨损而发亮）；断口的宏观形貌可以看出该断口大部分区域表面粗糙颜色较深，从撕裂棱线所指示的位置看，图2中可以看出右侧断口形貌和左侧断口形貌一致并一一对应。

图1 转向器输出轴的断裂位置

图2 断口宏观形貌

图3 断口宏观形貌

图4 断口宏观形貌

1.2 断口微观观查

将右侧断口放入扫描电子显微镜下观察，该断口源区处的形貌如图5所示，为沿晶+韧窝的形貌，在这个视场上还能看到3个球状夹杂物，其直径都小于10μm，在裂纹扩展区的棱线附近为解理扇形花样，棱线处为韧窝形貌，如图6所示，这是两个解理断裂面在棱线处交汇产生的，最后断裂区形貌如图7所示，为沿晶+韧窝的形貌。

图5 断口源区形貌

图7 断口断裂区形貌

1.3 硬度检测

转向器输出轴表面硬度为58.6HRC，图纸要求为58～63HRC；心部硬度为35.2HRC，图纸要求为27～45HRC，故障件表面和心部硬度均符合图纸要求。

1.4 渗碳层检测

渗碳层深度为1.1mm，图纸要求为1.0～1.5 mm，渗碳层深度符合图纸要求。

1.5 金相组织观察

转向器输出轴断口附近渗碳层表面金相组织为：针状马氏体+残余奥氏体（如图8所示）。

心部金相组织为：铁素体+回火索氏体（如图9所示），心部组织正常，未发现粗大过热现象。

按QC/T262-1999《汽车渗碳齿轮金相检验》[3]标准要求评定：残余奥氏体级别为4级，要求1～5级，马氏体级别为4级，要求1～5级。碳化物级别为1级，要求1～5级。

按ISO4967-1998《用标准图谱评定钢中非金属夹杂物的显微方法》[3]标准评定：非金属夹杂物等级为H0.5、C0.5、DS0.5。

图8 表面金相组织

图9 心部金相组织

1.6 化学成分分析

在断裂轴上取粉末试样进行化学成分检测，检测结果如表1所示。符合标准GB/T3077-1999《合金结构钢技术条件》[4]20CrMnTi的技术要求。

表1 化学成分检测结果（wt%）

2 结果分析与讨论

1）该零件硬度符合图纸要求，化学成分符合GB/T3077-1999要求，金相组织为正常的渗碳→淬火→高温回火后的金相组织，从图纸看出，该零件金相组织正常，且渗碳层深度、残余奥氏体级别和碳化物级别满足图纸要求，从以上结果看，该零件材质及热处理工艺应该没问题。

2）该断口源区处零件外表面未见加工刀痕与损伤痕迹，这基本可排除由于加工或者装配不合理对零件的损伤。但是断口源区位于花键根部与光滑圆柱的交接处,而花键根部尖锐没有过渡圆角，易产生应力集中，且又是渗碳层，对裂纹的形成起着一定的促进作用。

3）该零件断口上虽然发现有夹杂物存在，但是，从夹杂物周围的断裂痕迹看，未发现由夹杂物发散出来的棱线，也就是说裂纹并非在夹杂物处起源，而且从整个断口上看，裂纹的走向是按照扭转应力主导下进行扩展的，在裂纹扩展过程中未产生由材料内部缺陷引起的裂纹转折现象，所以可以判断夹杂物不是引起该零件断裂的原因。

4）该零件的宏观断口有明显的发射状撕裂棱线，说明断裂时所受载荷很大，加载速度很快[5]，宏微观断口均未发现疲劳贝壳纹与疲劳辉纹[6]，断口表面粗糙，没有腐蚀现象，因此可排除疲劳断裂和应力腐蚀断裂的可能性。

5）从该零件宏观断口的棱线看，这些棱线和该零件所受到的扭转应力基本吻合，源区的沿晶+韧窝形貌属于过载韧性断裂的一种，该零件表面的渗碳层硬而脆，在受到大载荷作用下会产生这样的形貌，该断口裂纹扩展区的解理裂纹也属于脆性断裂的一种，解理断裂是金属在正应力作用下由于原子结合键的破坏而造成的沿一定晶体学平面快速分离的过程，在该断口裂纹扩展到最后断裂区，该区域也是渗碳层区，所以也是呈沿晶+韧窝形貌。

3 结论

1）转向器输出轴的断裂是由于较大载荷而产生的过载断裂。

2）转向器输出轴的断裂与其材质及加工质量无关。

[1]蒙秋红, 张丽.某新型装载机前桥半轴断裂失效分析及改进措施[J].工程机械, 2009, 11(40): 59.

[2]张栋, 钟赔道, 陶春虎, 等.失效分析[M], 北京: 国防工业出版社, 2008: 90.

[3]QC/T262-1999, 汽车渗碳齿轮金相检验[S].

[4]GB/T3077-1999, 合金结构钢技术条件[S].

[5]王书艳, 马卫东.汽车摇臂轴断裂原因分析[J].汽车零部件, 2009, (09): 58.

[6]机械设计手册编委会, 失效分析和故障诊断[M].北京:机械工业出版社, 2007.05: 14-17.