汽车半轴断裂失效分析

贾西亚 关同立

摘 要：在后期的制造过程中重点对影响汽车半轴断裂的工艺的参数及工序进行控制和监控管理，以便降低失效的发生，减少事故的频率，提高产品的整体品质。

关键词：断裂；失效分析；微观观察

1 概述

汽车在正常行驶过程中，半轴的轴承位台阶R角处发生断裂，该车累计行驶里程约1万公里。

半轴材料为40Cr，基本加工流程：毛坯→锻造→机械加工→调质处理→中频淬火→磨削加工→磁粉探伤。半轴技术要求参照《QC/T 294-1999》，基本技术要求如下：在淬火区长度范围内预调质硬度为24～30HRC，中频感应淬火后杆部表面硬度为52～60HRC，断裂处直径φ40mm，淬火层深度要求为4mm～7mm。

本报告对失效半轴外观进行了检查，对断口进行了宏微观观察，并对半轴的金相组织、硬度和化学成分进行了检测，在此基础上确定了半轴的断裂性质，并对其断裂原因进行了分析。

2 试验过程与结果

2.1 外观检查

断裂半轴结构示意图见图1。断裂发生在半轴φ40mm的沿圆周方向的R角处，该部位为中频感应淬火区。为了方便描述，将远离法兰盘一端的断口标记为Ⅰ#断口，其法兰盘侧的匹配断口标记为Ⅱ#断口。

图1 半轴结构示意图

半轴Ⅰ#断口表面基本垂直半轴轴向，断面平齐，未见明显宏观 塑性变形。Ⅱ#断口断裂处R角处表面可见清晰的周向加工刀痕，半轴Ⅱ#断面附近R角处可见裂纹贯穿半轴侧表面。

2.2 断口微观观察

将Ⅰ#断口用丙酮超声清洗后放在扫描电镜下进行微观观察。

Ⅰ#断口断裂起源于表面，为明显的线源特征，源区可见较多的磨损痕迹；在扩展中后期，可见疲劳条带及磨损痕迹；较粗糙区域可见韧窝和二次裂纹，为瞬断区。

Ⅰ#断口断裂起源于表面，呈线源特征，源区磨损严重；扩展期可见疲劳条带。

2.3 化学成分检测

平行于半轴断口表面取样进行化学成分分析，结果见表1。各元素含量均符合GB/T 3077-1999标准要求，其中Mn含量稍偏上限。

表1 半轴化学成分（wt%）

[＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&][所测元素

测量值

GB 3077-1999][C

0.41

0.37～0.45][Si

0.22

0.17～0.37][Cr

0.99

0.8～1.1][Mn

0.85

0.5～0.8][Fe

余量

]

2.4 金相组织观察

在φ40mm的半轴上距离断口约15mm处的部位横向取样，磨制抛光腐蚀后在光学金相显微镜下观察半轴横截面金相组织；可见环形淬火区。在垂直Ⅱ#断口表面截取纵向金相试样，磨制抛光腐蚀后在光学金相显微镜下观察半轴断口附近纵截面金相组织；可见淬火区不均匀，大致呈三个不同的区域特征：白亮区、光亮区和灰暗区。半轴R角区为非正常的淬火马氏体组织，其中的光亮区形成了淬火裂纹；从主源附近淬火区和次源附近淬火区形状差异及主源区光亮区与灰暗区的界线延长特征来看，主源区附近的光亮区可能没有延长到R角，这表明R角可能没有形成完全的淬火马氏体。

2.5 硬度检查

将金相试样抛光进行显微硬度测试（载荷为500gf），并参照GB/T 1172-1999换算成洛氏硬度。由测试结果可知，φ40mm轴杆部的心部及φ48mm侧断口处纵向试样心部的硬度分散性较大，平均值为23HRC和23.5HRC，稍低于技术要求（24～32HRC）。

对半轴断口主源和次源附近的淬火层各区进行显微硬度测定。可见光亮区的硬度最高，灰暗区次之，白亮区最低；这表明淬火层硬度不均匀，可能存在较大的应力。

2.6 淬火层深度检查

采用金相方法和硬度法测试断裂半轴φ40mm轴杆部（距断口下方15mm）处的淬火层深度（由表面至硬度变化为HRC40（381HV）处），半轴φ48mm侧次源附近R角的淬火层厚度。可见，φ40mm轴杆部的淬火層深度约为4.8mm， 半轴φ48mm侧次源附近R角的淬火层深度约为3.5mm；技术要求φ40mm轴杆部及R 角的淬火层深度为3.5mm～7mm，可知φ40mm轴杆部的淬火层深度满足技术要求；半轴φ48mm侧次源附近R角的淬火层深度低于技术要求。

3 分析与讨论

半轴断口的宏微观观察结果可知，断口表面宏观未见明显塑性变形，裂纹扩展区平坦、可见疲劳弧线，微观可见疲劳条带；由此推断，半轴的断裂性质为疲劳断裂。

金相组织检查表明，断口下方φ40mm半轴杆部的淬火层组织、深度及硬度符合要求；R角处存在淬火不当导致组织不符合要求、硬度较低及出现淬火裂纹的现象；这使得半轴疲劳性能下降，引起早期疲劳断裂，可能是半轴疲劳断裂的主要原因。

另外，40Cr钢中的Mn元素可提高钢的淬透性，但容易使钢产生过热倾向，并有回火脆性倾向。半轴金相断裂处的直径为φ40mm，相对较大，Mn元素略高时，可能使其更容易淬透，金相组织检查未见组织粗大过热特征，断口未见沿晶脆性断裂特征；这表明Mn元素比技术要求的略高，没有使半轴产生过热和回火脆性，可能没有对半轴产生较大的不利影响。

综上所述，半轴断裂性质为疲劳断裂；半轴疲劳断裂主要与R角处淬火不当引起主源，R角未形成淬火马氏体、组织不符合要求、表面硬度较低及产生了淬火裂纹有关。材料心部组织状态与技术条件要求的调质状态不一致及硬度偏低，使得半轴疲劳性能降低，促进了疲劳断裂，因此在后期的制造过程中重点对影响其工艺的参数及工序进行控制和监控管理，以便降低失效的发生，减少事故的频率，提高产品的整体品质。