基于失效分析的汽车传动轴断裂的鉴定

王峥，王放明，谷阳阳，张元（中国汽车技术研究中心，天津300300，中国）



基于失效分析的汽车传动轴断裂的鉴定

王峥，王放明，谷阳阳，张元
（中国汽车技术研究中心，天津300300，中国）

汽车在高速公路上正常行驶时突然传动轴断裂、脱落，随后发生几车连撞的交通事故，为了调查事故原因，分清责任，需要对传动轴断裂原因进行鉴定，为法院判决提供判案依据。首先对该车进行整体检验，之后对传动轴断口进行宏、微观分析，并进行化学成分、金相组织以及硬度检测，结果表明十字轴套筒断裂为沿晶断裂，经分析为氢致延迟断裂，认定十字轴套筒应为整个传动轴结构中的首断件，使整个传动轴结构受力失稳，而断裂的万向节叉应为被动损坏件，是整个传动轴结构受力失稳后导致的局部载荷过大，超过其屈服强度而引发的过载断裂。

断裂失效；传动轴；失效分析；司法鉴定

0 引言

XX法院审理的原告车主诉被告XX汽车厂家和汽车销售商侵权责任纠纷一案中，原告等二人驾驶小轿车在高速公路上正常行驶时突然传动轴断裂、脱落，同时伴有巨响，随后车辆停在快车道上，之后又追尾了一辆轿车和一辆微型面包车，造成二人受伤，车辆受损的交通事故。由于现场发现传动轴断裂，车主认为是由于该车质量问题造成此次事故，因此诉至法院向销售商和厂家提出索赔。为查清事故原因，分清责任，XX法院委托车辆鉴定中心对该车传动轴断裂原因进行鉴定，鉴定该事故是否是车辆质量问题导致。

传动轴是汽车传动系中传递动力的重要部件，是与变速箱、驱动桥一起将发动机的动力传递给车轮，使汽车产生驱动力。传动轴由轴管、伸缩套和万向节等组成，一般均使用轻而抗扭性佳的合金钢管制成。它是一个高转速、少支承的旋转体，因此它的动平衡是至关重要的，一般传动轴在出厂前都要进行动平衡试验，并在平衡机上进行了调整。由于转动轴是汽车传动系统中非常重要的构件，运转中的受力情况非常复杂，承受着剪切和扭转等载荷的作用，易产生剪切和扭转变形甚至产生裂纹或发生断裂，且一旦失效后往往会造成严重的后果，引起其他重要机件的毁损［1］。因此，对该次事故中的传动轴断裂原因进行鉴定，以期还原事故真相，分清责任，化解社会矛盾。

1 检验过程与结果

1.1 车辆整体检验

该车辆前传动轴（变速箱端）脱落，万向节叉断裂，如图1-2所示；该车辆后部损坏是后车追尾所致，包括后保险杠破损，骨架变形，后保险杠下导流板破损，后部隔热板变形；未发现该车辆前传动轴存在明显碰撞痕迹。

1.2 车辆前传动轴材质检验

该车辆前传动轴两端万向节叉以及十字轴联接部位如图3所示，其中传动轴A侧万向节叉有断裂，与之相连的十字轴、滚针及十字轴套筒等均已缺失；B侧万向节叉有严重磨损痕迹，但未断裂，十字轴套筒有破损开裂，内部滚针脱落。传动轴相关材质及工艺信息由于委托人未能提供，只能根据以下检验结果做相应判断。

1.2.1 外观检验

该车辆前传动轴A侧联接处万向节叉断裂，且有明显塑性变形，如图4所示。B侧联接处万向节叉拆卸，

如图5所示，可见十字轴两侧联接部位均有损坏，万向节叉有磨损，十字轴套筒断裂，断口周围无塑性变形。

1.2.2 断口检验

取A侧万向节叉和B侧十字轴套筒断口试样，可以看出，A侧万向节叉断口表面磨损极为严重，且断口周围有明显的塑性变形。B侧十字轴套筒断口表面平齐，呈黄褐色，有氧化，断口周围无塑性变形，为典型的脆性断裂。

取A侧万向节叉及B侧断裂的十字轴套筒断口试样置于扫描电镜下进行断口微观形貌检验。通过观察发现A侧断裂的万向节叉断口表面磨损严重，但在断口局部区域可观察到明显的韧窝形貌，为典型的韧性断裂，如图6所示。通过观察发现B侧沿套筒壁厚方向的表面区域断口为典型的沿晶与穿晶解理混合断口，且以沿晶断口为主，断口表面有二次裂纹，并可观察到“鸡爪痕”，而套筒心部区域断口为典型的穿晶解理断口，即套筒为典型的脆性断裂，如图7-9所示。

1.2.3 金相组织检验

取被鉴车辆前传动轴B侧十字轴套筒试样进行金相组织检验，可以看出，十字轴套筒表面组织与心部组织不同，表层组织为马氏体，心部为铁素体+贝氏体，各个区域组织均匀，见图10-11。表层裂纹显示出明显的沿晶扩展特征，裂纹毗邻区域组织与未开裂部位表层区域组织无差别，见图12。

1.2.4 微观组织检验

取该车辆前传动轴B侧十字轴套筒金相试样置于扫描电镜下微观组织检验，套筒表层到心部的组织形貌见图13-15，图16可以看出表面裂纹为典型的沿晶形貌。

1.2.4 能谱分析

由于套筒材料材质及牌号委托人未能提供，故需要对其进行能谱分析见图18-19，检验结果显示套筒材料为碳素钢，没有添加其它合金元素，表层碳含量明显高于心部，可推断套筒经过渗碳表面处理。

1.2.5 显微硬度检验

取该车辆前传动轴B侧十字轴套筒金相试样进行显微硬度检验，检验结果见表1，其表面马氏体层维氏硬度可达到790，心部块状铁素体组织平均维氏硬度为157，心部贝氏体组织平均维氏硬度为306。由于十字轴套筒表面经过渗碳处理，使表面组织与心部组织明显不同，进行由表面到心部的硬度测试，测试点间距30-50µm，见图17，检验结果见表2，可以看出由表面到心部硬度逐渐降低，表面层硬化明显。

表1　不同组织部位显微硬度测试结果

表2　表面到心部显微硬度测试结果（HV0.05）

2 分析与讨论

1、根据该车辆前传动轴未发现明显碰撞痕迹的检验结果，可排除传动轴受到外力撞击导致断裂、脱落的可能性。

2、该车辆前传动轴B侧十字轴套筒断裂，在扫描电子显微镜下可见表面区域断口为典型的沿晶与穿晶解理混合断口，以沿晶断口为主，断口表面有二次裂纹，并可观察到“鸡爪痕”。其中，沿晶断裂又称晶间断裂，它是多晶体沿不同取向的晶粒所形成的沿晶粒界面分离，即沿晶界发生断裂。在通常情况下，晶界的键合力高于晶内，断裂扩展的路径不是沿晶而是穿晶断裂，但如果热加工工艺不当，造成杂质元素在晶界富集或沿晶界析出脆性第二相等因素出现时，晶界的键合力被严重削弱，在低于正常断裂应力情况下，被弱化的晶界成为断裂扩展的优先通道而发生沿晶断裂［2］。因此，在机械零部件中发生的沿晶断裂均属非正常断裂情况。

3、由于该车辆前传动轴十字轴套筒材料材质、牌号及加工工艺委托人均未能提供，所以对十字轴套筒沿晶断裂的三种可能性（即：过热过烧引起的脆性断裂、第二相粒子沿晶界析出导致的脆性断裂和氢引起的脆性断裂）进行分析。

（1）钢件在热加工过程中过热、过烧将导致奥氏体晶粒粗大，晶界严重弱化甚至局部熔化，使得工件塑性和韧性急剧降低，在受力过程中将导致沿晶脆性断裂。在开裂的传动轴十字轴套筒金相检验过程中，并未发现组织粗大，不均匀，甚至晶界融化的现象，因此可排除由于过热、过烧引起其脆断的可能。

（2）钢件在热加工及热处理过程中，如果形成了沿晶界分布的析出相，这将严重弱化晶界，使其在受力过程中裂纹沿晶界形成并扩展，形成沿晶断口形貌。但在十字轴套筒金相及扫描电镜观察过程中，未发现第二相沿晶界析出，裂纹附近亦未观察到有局部的沿晶析出，因此可以排除第二相粒子沿晶界析出导致的脆性断裂的可能。

（3）氢可引起工件脆性断裂，侵入材料内部的氢原子扩散到陷阱处会结合成氢分子，形成氢分子时体积急剧增加产生极大的内压，当压力超过材料的强度极限时，将在该处形成裂纹核，进而不断扩展。该车辆前传动轴十字轴套筒表面硬化层断口为典型的沿晶与穿晶解理混合断口形貌，以沿晶断口为主，断口表面有二次裂纹，并可观察到“鸡爪痕”，这些都符合氢致延迟断裂的断口特征。并且材料强度越高，其氢致延迟断裂敏感性越高［2］，该车辆前传动轴十字轴套筒表面组织为马氏体，维氏硬度达到790，具备了氢致延迟断裂的组织条件。

综上所述，该车辆前传动轴B侧十字轴套筒的断裂是沿晶断裂，为氢致延迟断裂，而氢应为套筒生产（冶炼、酸洗、渗碳、电镀等）环节引入。

3 结论

由于前传动轴A侧万向节叉有断裂，与之相连的十字轴、滚针及十字轴套筒等均已缺失，因此只能通过前传动轴B侧联接部位特征来推断出现异常状态的过程及原因。根据传动轴B侧十字轴套筒为沿晶断口形貌，可认定传动轴A侧十字轴套筒应为整个传动轴结构中的首断件，在服役过程中发生脆断后，导致了整个传动轴结构受力失稳，而断裂的万向节叉在整个传动轴结构中应为被动损坏件，是整个传动轴结构受力失稳后导致的局部载荷过大，超过其屈服强度而引发的过载断裂。另外，前传动轴联接部位出现异常状态的原因也不排除十字轴与万向节叉间存在装配误差、十字轴与节叉之间的轴承存在异常故障等情况。

综上所述，该车辆由于质量问题导致其前传动轴在车辆正常行驶过程中发生断裂、脱落。

［1］ 李莹，刘高远，张立新.某汽车车轮半轴断裂失效分析［J］.失效分析与预防，2007，5（2），40-44.

［2］ 钟群鹏， 赵子华. 断口学［M］.北京∶高等教育出版社，2005∶2-12.

王峥，工程师，硕士，材料加工工程， 邮箱：sjzwangzheng@163.com

Identification based on the failure analysis of automobile transmission shaft fracture

Wang Zheng，Wang Fangming，Gu Yangyang，Zhang Yuan
（China Automotive Technology & Research Center，Tianjin300300，China）

For example， there is a motor vehicle which triggers off a traffic accident on the expressway when the transmission shaft cracks and falls offsuddenly. In order to investigate the cause of the accident， distinguishing the responsibilities， there is a need to undertake identification on the reason of transmission shaft fracture and provideimportant legislative foundationin court. First of all， we need to examine the vehicle overall， and then carry out macro and micro analysis on the transmission shaft fracture. Next，after testing the chemical composition， microstructure and hardness， the test results show that the fractureon cross-shaft-sleeve is intergranular fracture. After further analysis， it is the hydrogen-induced delayed crackleads to the whole transmission shaft structural instability， concluding that the cross-shaft-sleeve should be the first break part in the transmission shaft structure. Meanwhile， the fracture damage of universal joint fork should be passive， it forms after the transmission shaft lose its structural balance and local load exceeds its yield strength by overloading.

Fracture failure； transmission shaft； failure analysis； identification