传动轴端面齿突缘叉断裂失效分析

陈政文 宋颖

汉阳专用汽车研究所 湖北武汉 430056

1 前言

端面齿突缘叉是传动轴的关键零部件。端面突缘叉工作时承受较大的动载荷，受到扭转、弯曲等作用，因此要求零件表面具有较高的硬度、耐磨性和良好的抗疲劳性能，芯部又能保持一定的塑韧性，故材料一般选用中碳钢，经过模锻、淬火、高温回火（即调质）、车、拉、钳、铣、镗等工序加工而成。

由于端面齿突缘叉几何形状复杂，工作条件苛刻，常因热处理工艺环节控制不良导致产品出现缺陷。某半挂汽车列车在运输货物途中，端面齿突缘叉发生断裂（见图1），导致传动轴脱落，造成车辆发生事故。为查清端面齿突缘叉断裂失效原因，避免类似事故的发生，下面对端面齿突缘叉进行失效分析。

2 失效分析

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与材料有关的汽车零部件失效有断裂、磨损、变形、腐蚀等形式，笔者通过对传动轴端面齿突缘叉工作状态、断裂形式进行分析后，考虑从材料和工艺方面着手进行失效分析，分析过程如下。

2.1 零部件外部观察分析

a.对失效件进行宏观肉眼观察，观察零部件整体外观形貌及破坏部位，并对观察结果进行拍照记录；

b.确定破坏形式后对断口进行微观检查，利用放大镜、光学显微镜、电子显微镜等工具进行断口形貌特征观察，如断口处有锈迹、油漆等污染物，可用烯酸、有机溶剂等清洁后进一步观察断口形貌特征。

2.2 零部件受力分析

a.找到零部件工作部位，分析它所受外力特征，如拉伸、弯曲、扭转等，判断工作时受力状态，分析约束形式对受力是否存在影响；

b.通过对零部件进行受力分析，运用理论计算，对零部件材料在复杂应力条件下的强度进行校核。

2.3 零部件材料分析

a.材料化学成分分析；

b.材料的金相检测（热处理、晶粒尺寸、脱碳等）、非金属夹杂物检测、非破坏性检测（内部裂纹、材料缺陷等）；

c.力学性能检测包括强度试验（拉伸、弯曲、扭转等）、硬度分析、疲劳韧性等；

d.微观断口形貌分析（通过扫描电镜、白光三维成像仪等）。

3 检验与结果

3.1 化学成分分析

对端面齿突缘叉进行化学成分分析，结果见表1。

表1 化学成分分析结果（质量分数%）

由表1可见，端面齿突缘叉材料的化学成分符合GB/T 699-2015《优质碳素结构钢》标准中45#钢的技术要求，满足设计要求的45#钢材料。

3.2 硬度检测

对端面齿突缘叉表面和芯部按照GB/T 230.1-2009《金属材料 洛氏硬度试验 第1部分：试验方法(A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T标尺）》标准检测其洛氏硬度，结果见表2。

表2 硬度测试结果（HRC）

由表2可见，端面齿突缘叉芯部硬度符合工艺HRC22-28的硬度要求，表面硬度不符合工艺HRC22-28的硬度要求。

3.3 低倍组织观测

对端面齿突缘叉进行剖切，依据GB/T 226-2015《钢的低倍组织及缺陷酸蚀检验法》标准进行检测，结果见图2。

图2 低倍组织

从图中可以看出，低倍组织无锻造流线（锻造纹路）。

3.4 金相分析

对端面齿突缘叉断裂处取样进行金相检测，结果为靠近表面组织为回火索氏体（见图3），芯部组织为珠光体加针状的铁素体（见图4），并存在2级魏氏组织（见图5），完全脱碳层为0，部分脱碳层深度为0.19 mm，总脱碳层深度为0.19 mm（见图6）。

图3 靠近表面组织 500×

图4 芯部组织 500×

图5 魏氏组织 100×

图6 脱碳 100×

4 分析与讨论

a.根据化学成分分析，端面齿突缘叉的化学成分符合GB/T 699-2015《优质碳素结构钢》标准中45#钢的技术要求，与设计要求的45#钢材料相符；

b.从硬度检测结果可知，芯部硬度（HRC）满足工艺要求，表面硬度（HRC）不满足工艺要求，说明端面齿突缘叉芯部硬，表面软，在受到扭转载荷时，表面易发生疲劳断裂；

c.从金相组织结果可知，存在2级魏氏组织，这是由于锻造过程中加热温度过高，冷却速度过快，直接导致材料的塑性和韧性降低，材料的脆性增加。零部件存在0.19 mm的脱碳层，这是由于热处理炉密封性不满足工艺要求，且未采取添加脱碳液等防脱碳措施所致，直接导致锻件表面变软（与硬度检测结果相吻合），强度和耐磨性下降，进而使得疲劳强度降低，过早发生疲劳断裂；

d. 从低倍组织看出，锻件无锻造流线（锻件纹路），说明锻件锻造过程不充分，不满足工艺要求。5 结语

该传动轴端面齿突缘叉断裂为早期疲劳断裂，其主要原因是热处理工艺不当，加热温度过高、冷却速度过快，加热炉密封性达不到要求、未采取添加防脱碳液等防脱碳措施以及锻造过程不充分等综合原因所致。

为了避免该类型传动轴端面齿突缘叉发生早期疲劳断裂的情况再次发生，应合理制定模锻工艺，提高加热炉密封性或添加防脱碳液，科学控制加热温度和冷却速度。