重卡后提升轴断裂失效分析与改进*

□ 王 猛 □ 蔡士祥 □ 邓飞燕 □ 王传颂 □ 张 伟 □ 谭 伟

中国重汽集团济南桥箱有限公司 济南 250001

1　故障情况

某型重卡在行驶过程中，后提升轴突发断裂［1］。断裂处位于推力杆座总成与轴管焊接处，故障形式为轴管整体断裂［2］，如图1所示。该提升轴轴管材料为45号钢，规格为φ146 mm，壁厚为14 mm，采用焊接工艺。由于该提升轴断裂失效情况较为突出，因此笔者借助理化检测设备及ANSYS Workbench有限元分析软件，对断裂的提升轴进行系统分析，并讨论其断裂失效原因。

▲图1 后提升轴断裂情况

2　理化试验与分析

2.1　同型号轴管探伤检测

抽样30件该型号提升轴轴管，进行超声检测和磁粉探伤，未发现表面缺陷和内部裂纹现象。

2.2　同型号轴管机械性能检测及分析

对同型号提升轴轴管机械性能进行检测，其抗拉强度为650 MPa，屈服强度为420 MPa，伸长率为22.1%，机械性能符合要求。

2.3　断裂轴管断口分析

用酒精擦去轴管断口的浮锈，观察断口，如图2所示。初步断定图2中A区域光滑明亮处为断裂源［3］，沿B区域逐步向下撕裂至C区域。对断裂源进行局部取样、抛光腐蚀处理［4］，如图3所示，用电子显微镜观测到焊缝根部存在一道细微裂纹。在断裂源A区域发现直径约为0.15 mm的粒状杂质，并在杂质处发现二次裂纹。由于夹杂与基体材料结合松散［5］，而且破坏了材料的连续性，因此提升轴在受到交变扭矩疲劳载荷作用时，尺寸较大的冶金夹杂成为应力集中点，然后导致疲劳裂纹［6］。疲劳裂纹在载荷作用下开裂形成主裂纹，裂纹快速扩展，形成放射状条纹，并最终断裂。

▲图2 轴管断口

▲图3 断裂源

2.4　化学成分检验与分析

在室温20℃、相对湿度40%的条件下，对提升轴轴管断口进行取样分析，其化学成分检测结果见表1。

表1　化学成分检测结果

该提升轴轴管试样中，碳、硅、锰含量接近标准值上限，磷、硫、铬接近标准值下限，元素含量符合标准GB/T 8162—2008《结构用无缝钢管》的要求。

2.5　金相组织分析

如图4所示，提升轴总成在使用过程中沿着焊缝产生裂纹，裂纹在轴管母材延展，造成母材缺陷发生断裂，进而导致轴管断裂。提升轴的材料为45号钢，经传统淬火加中温回火处理后，正常的组织为回火屈氏体。在断裂提升轴上取样，磨制抛光后，经4%硝酸乙醇溶液腐蚀，采用金相显微镜观察试样，确认该试样的金相组织为片状和板条状两形态的回火马氏体，如图5所示。

▲图4 未腐蚀轴管裂纹部位

▲图5 腐蚀后轴管裂纹部位

该提升轴轴管材料碳含量为0.42%～0.50%，碳当量达0.59%～0.72%。在碳当量≥0.5%时，钢材易于淬硬，焊接性能差［7］，若焊接后冷却过快，极易产生焊接应力及马氏体组织缺陷，造成冷裂纹的产生。马氏体不是一种平衡组织，由奥氏体急速冷却形成，淬火过程不容易控制［8］，热处理后很可能获得过量的马氏体组织。马氏体含量过高，则材料性能硬而脆；马氏体含量过低，则材料韧性较高。采用回火工艺可减小马氏体的含量。

3　结构应力分析

该提升轴通过中心气囊与车架本体连接，为桥壳提升提供动力。提升轴四周安装四个平衡气囊，空载时桥壳提升，中心气囊充气，周围四个平衡气囊放气，提升轴总成抬起。满载时中心气囊放气，周围四个平衡气囊充气，提升轴总成落下。提升轴气囊共附带四个压力传感器，保证提升轴受力均匀，排除理论上受力不均匀导致的桥壳断裂，提升轴失效形式主要为循环变载荷下的疲劳失效。

为明确提升轴应力集中点，笔者应用ANSYS Workbench有限元软件，对提升轴弯曲载荷作用下的静力学进行有限元建模分析。在ANSYS中建立提升轴有限元模型，如图6所示。在提升轴推力杆座表面施加约束，在左右两端轴头上同时施加竖直向下的98 kN载荷力，通过分析计算分别得到提升轴受力变形图和提升轴应力分布云图，如图7、图8所示。

由图7、图8可知，提升轴存在弯曲变形，主应力在两端轴头的轴肩侧面，应力最大值为182.51 MPa。该处为提升轴轴管理论应力集中点，使提升轴两侧轴头成为疲劳危险断面，易发生早期疲劳断裂。当车辆因越障、侧倾、紧急制动而受到冲击时，车体的变形使提升轴产生附加弯矩。该附加弯矩造成轴头端部出现主应力最大值，从而成为疲劳危险断面，致使提升轴的疲劳断裂经常发生在轴头靠近轴颈的端部。如图1所示，该提升轴断裂位置位于轴管中间位置及推力杆座总成焊接处附近，与有限元分析所得的理论断裂面位置存在差异，由此确认该提升轴断裂并非结构性应力断裂。

▲图6 提升轴有限元模型

▲图7 提升轴受力变形图

▲图8 提升轴应力分布云图

4　断裂原因确认

通过提升轴信息追溯，该提升轴断裂桥壳为12月份生产。此时北方冬季天气寒冷，气温较低，焊后焊缝冷却快，易产生片状马氏体，同时马氏体的硬度随质量分数的增大而升高，当含碳量达到0.6%时，淬火钢硬度接近最大值［9］，材料硬而脆。零件中存在一些应力集中处，如钻孔、焊接应力集中处，以及圆角等，使零件的截面突然发生变化而产生应力集中，容易形成疲劳断裂源，这是造成该提升轴断裂的主要原因［10-11］。

5　结束语

通过对重卡后提升轴断裂失效进行研究，依据理化检验及有限元分析，确认造成提升轴断裂的原因为焊接应力集中和组织缺陷。增加稳定的预热保温措施，对现有焊接工艺进行改进，同时对提升轴轴管材质进行优化升级，可以提高重卡后提升轴的质量。

［1］ 齐学义，王岩，敏政．多级泵轴断裂分析［J］．江苏大学学报（自然科学版），2008（11）：502-506.

［2］ 谢剑波，魏忠宣，万飞，等．一种重卡管状横梁断裂的失效分析及改善方法［J］．四川兵工学报，2012（6）：66-68.

［3］ 潘晶，晏建武，王伟兰．轻型汽车后桥半轴断裂件的组织及断口特征［J］．宁波大学学报（理工版），2004（2）：179-181.

［4］ 张亦良，姜公锋，徐学东，等．汽车转向横拉杆断裂失效分析［J］．北京工业大学学报，2010（10）：1317-1323.

［5］ 朱有利，谢俊峰，黄元林，等．某型车辆扭力轴疲劳断裂失效分析［J］．装甲兵工程学院学报，2010（5）：78-81.

［6］ 才庆魁．金属疲劳断裂理论［M］.沈阳:东北工学院出版社，1989．

［7］ 陈胜，苏强．中碳结构钢焊接工艺［J］．四川兵工学报，2008（5）：65-66.

［8］ 夏子钰.高强钢焊接接头CTOD微观组织影响研究与BS7910 缺陷评定［D］.武汉：武汉理工大学，2012.

［9］ 苏竹.热冲压用钢BR1500HS高温流变行为研究及淬火工艺优化［D］.重庆：重庆大学，2012.

［10］吴本喜．汽车零件的疲劳断裂及预防［J］.农机使用与维修，2006（5）：51-52.

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