汽车半轴断裂失效分析

2022-04-11欧长高李普同万克仁

汽车与驾驶维修(维修版) 2022年3期

欧长高、李普同、万克仁

（江西江铃底盘股份有限公司，抚州 344000）

0 引言

某汽车后桥半轴，材料为40Cr，机加工后经过中频淬火、低温回火处理。该半轴在依据QC/T 293-1999《汽车半轴台架试验方法》进行扭转疲劳试验时发生断裂，断裂位置位于花键和轴的交汇处。整个断面与轴线方向呈45°角，同时在花键一侧，可见一个花键齿发生断裂。断裂时循环周次为14.5 万次（目标为≥30 万次），属于较严重的早期失效。为找出失效原因，避免再发生此类事故，对该半轴进行了失效分析（图1）。

图1 断裂的半轴

1 理化检验

1.1 宏观断口分析

对花键部分宏观形貌进行观察，整个花键部分有多条45°方向的裂纹（图2a）。这些裂纹也和轴线方向呈45°角，是第一部分断口的延续，从轴的扭转裂纹扩展到花键上的。花键上有一条裂纹沿花键齿底与扭转疲劳断口的断裂源连接，是本次着重需要分析的裂纹，将其编号为1号花键。有一部分花键齿已经发生断裂，将其编号为2 号花键；有一条裂纹沿花键齿顶，将其编号为3 号花键。以下将分别对1 号、2 号和3 号花键进行分析。

对1 号花键的齿底裂纹进行观察，可见1 号花键齿的啮合区占整个啮合面的2/3，啮合受力点在齿腰的节圆处，在齿底形成最大的弯曲应力，其齿腰和齿底均已发生开裂。齿底裂纹和扭转疲劳断口的裂纹源相连，极有可能和扭转断口的疲劳起源有关，需要打开该断口进行进一步的分析观察。

打开1 号花键的断口，齿的断口分两个区域，区域1 为裂纹起始区。裂纹起始源于齿根部，裂纹起始区可见明显的一次台阶，每个台阶对应一个条痕状缺陷。区域2呈剪切特征，为最后断裂区。

对2 号花键的宏观断口及裂纹起始区进行观察，可见2 号花键齿已经断裂。断口较平齐，整个断面疑似疲劳断裂，但宏观下未见明显的疲劳弧线等特征。裂纹起源于花键的节圆处，在该花键的齿底，可见一条与轴线呈45°角的裂纹。该裂纹从扭转疲劳断口延伸而来，齿与扭转疲劳断口交汇处的断面平坦，有氧化色（图2b）。

图2 1 号和2 号花键齿的宏观断口

对3 号花键的齿顶裂纹和啮合区进行观察。3 号齿的齿顶有一条明显的裂纹，齿的啮合区约占整个齿面的1/2，齿面上还有一条与轴线呈45°角方向的裂纹（图3）。

图3 3 号花键齿的宏观断口

对扭转疲劳断口附近3 个花键齿的分析结果表明，1 号花键齿的断裂疑似为疲劳断裂，裂纹起源于齿根条痕处，齿根条痕处为应力集中源。疲劳沿齿根往内部扩展，并和扭转疲劳断口发生交汇，但是从宏观分析上暂且无法判断，扭转疲劳断裂和1 号花键齿断裂之间的关系。1 号花键齿断裂的原因需要进一步分析。

2 号和3 号花键齿的宏观分析结果表明，2 号花键齿断裂疑似疲劳断裂，裂纹起源于齿面的节圆处，并且和扭转疲劳断口发生交汇。3 号花键齿和2 号花键齿情况类似。因为2 号和3 号花键齿与扭转疲劳交汇处并无疲劳起源的特征，可以初步判断2 号和3 号花键齿的断裂与半轴的扭转疲劳断裂无关，花键齿断裂的原因也需要进一步确认。

1.2 微观断口分析

在扫描电镜下对1 号花键齿断口的微观形貌进行观察，其裂纹起源于齿底条痕状缺陷处。裂纹起源区的微观形貌特征为沿晶特征，沿晶面干净新鲜，无明显氧化特征。沿晶特征中夹杂着少量的疲劳特征，扩展区可见明显的疲劳及二次裂纹特征。

在扫描电镜下对2 号花键齿断口的微观形貌进行观察，其裂纹起源于齿面节圆处。裂纹起始区的微观形貌特征为干净新鲜的沿晶特征，未见明显的氧化形貌。扩展区为典型的疲劳特征及二次裂纹。

在扫描电镜下对3 号花键齿断口的微观形貌进行观察，其裂纹起源于齿面节圆处，其齿底的条痕状缺陷处未发现任何的微观裂纹。花键齿的微观形貌特征见图4所示。

图4 花键齿的微观形貌特征

在扫描电镜下对其余花键齿根进行观察，其余花键齿根均可见条痕状缺陷，但是未见异常的裂纹、刀痕以及尖锐的R 角过渡等缺陷。局部存在的裂纹缺陷均是半轴扭转疲劳断口的延续裂纹，和花键齿的断裂无关。

花键齿的微观断口的分析结果表明，花键齿的断裂为疲劳断裂，疲劳扩展区可见明显的疲劳辉纹特征，其疲劳开裂的循环周次高于半轴断口。但是1 号齿疲劳起源于齿底缺陷处，齿的疲劳断口和半轴疲劳断口相关联。结合两者的断口综合判断，1 号花键齿断裂早于半轴的断裂。1 号花键齿齿根疲劳裂纹扩展到半轴区时，在半轴区表面形成裂纹缺陷，半轴自该缺陷处发生扭转疲劳断裂。

2 号齿裂纹起源于齿腰，3 号齿裂纹起源于齿顶附近，并且齿底未见任何微裂纹。可见2 号和3 号齿的断裂与整个半轴的扭转疲劳断裂无关，是一个独立的事件。极有可能是整个半轴发生开裂后，齿的啮合异常造成的疲劳开裂或者崩齿。

由此看来，1 号花键齿的开裂原因是分析整个问题的关键。造成1 号花键齿疲劳开裂的可能原因是多种，如根部缺陷、啮合异常、氢脆、回火淬以及低强度等。但是从断口分析结果可以排除氢脆和回火脆的可能，因为微观断口上没有氢脆和回火脆的特征。分析的方向集中在根部缺陷（如刀痕、R 角过渡、原始裂纹和脱碳等）或者啮合异常（从齿面啮合痕迹判断，可能性极大）。

1.3 能谱分析

对1 号花键齿裂纹起始区和齿底分别进行能谱分析，结果如图5所示。裂纹起始区能谱结果正常，断面新鲜，无任何氧化特征。齿底有轻微氧化，能谱结果也无异常。能谱分析结果可以排除花键在制造工艺过程中存在先期裂纹的可能。

图5 花键裂纹源区能谱分析

1.4 花键齿金相分析

垂直于轴向切取1 号、2 号和3 号花键进行金相分析。

其中1 号花键齿齿腰也有裂纹，且裂纹已经快扩展到齿根，齿底也可见明显的裂纹。齿根裂纹起始区未见任何宏观夹杂，也未见脱碳、非马氏体组织，以及异常的R 角过渡等问题。2 号花键齿和3 号花键齿断裂的位置相似。

2 号和3 号花键齿都从节圆处起始，裂纹起始区均未见任何宏观夹杂、脱碳和非马氏体组织等缺陷，齿根也都未发现显微裂纹。按照标准GB/T 10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》对整个齿面进行夹杂物评级，未见A、B、C 类夹杂，D 类夹杂约0.5 级，花键齿部的夹杂无异常。

花键齿部的金相分析结果表明，只有1 号花键齿底部存在裂纹，其他花键齿底部均未发现裂纹，花键齿的表面未发现异常的夹杂、脱碳及非马氏组织等缺陷。齿根唯一的缺陷是存在条痕，尽管齿底条痕会造成一定的应力集中，使疲劳裂纹优先从此处萌生。但是从金相分析结果判断，条痕缺陷在各齿底部均存在，只有1 号齿裂纹丛此处起源，而且1 号齿的金相上，另外一条裂纹起源于条痕缺陷的下方。所以综合判断，条状缺陷不是导致齿底开裂的主要原因。而且可以排除齿根存在脱碳、夹杂及非马氏体组织等缺陷，从而造成花键断裂的可能。

2 失效原因分析

2.1 对花键断口分析

对花键端口综合分析结果表明，1 号花键的断裂为疲劳断裂。疲劳起源于齿底条痕处，裂纹源微观形貌特征为沿晶，但是并没有发现氢脆、回火脆的特征，而且沿晶区也可看到疲劳形貌。可以判断，疲劳裂纹起源于齿底表层，因为表面进行了感应淬火处理，淬火硬化层在复杂的应力条件下出现沿晶疲劳形貌是正常的。花键的疲劳断裂和表面硬化层的热处理无关。

2.2 花键断裂源区能谱及金相分析

通过对花键断裂源区能谱及金相分析，可以排除花键齿根存在脱碳、折叠、夹杂以及原始裂纹等其他缺陷的可能。所以结合花键齿啮合痕迹分析结果可以判断，花键的断裂是由于花键主要是齿顶啮合，而不是在节圆处啮合，这会使花键齿顶异常受力。

如果把整个齿比作一个杠杆，可以想象，齿顶受力会使力臂变长，那么在同样力的作用下，齿顶受力时，施加到齿根的力矩会比节圆受力时大一倍。在这种高应力的情况下，容易从齿根条痕缺陷处发生疲劳萌生，甚至扩展至断裂。

当疲劳裂纹扩展到半轴处时，在半轴上形成表面的应力集中，造成半轴在受扭转应力时，从齿底裂纹处萌生裂纹，发生扭转疲劳断裂。这整个过程是一个快速的过程，条痕缺陷只是这个过程中的催化剂。它促进裂纹从1 号齿萌生扩展，而其他齿还来不及扩展，这就解释了为何其他花键齿底没有发现裂纹。

花键上其他几条裂纹均从齿面节圆处起源，这些裂纹都是花键上独立存在的，和整个半轴断裂无关。经过推断这是半轴发生开裂后，花键的整个受力状况发生变化，出现齿顶的打齿和齿顶的疲劳剥落。

2.3 花键部位金相及硬度分析

通过对花键金相及硬度的对比分析，结果表明失效花键的表面硬度和芯部硬度均偏低，表面金相组织分析结果也存在差异。这说明花键表面在感应淬火后的回火温度可能过高，造成表面硬度的降低。对于轴类零件而言，轴的表面承受较大的扭转应力，表面硬度的高低会直接影响其抗扭转疲劳的性能。尽管这不是造成此次失效的主要原因，但是也应加强控制，避免表面硬度过低对半轴耐久寿命产生不利影响。

此外，齿底的条痕深度如果太深或者过渡不良，也会在一定程度上造成齿底的应力集中。尽管条痕状缺陷不是造成此次失效的主因，如果控制不当，也有较大的危害。建议在加工后对齿底进行修磨，避免齿底出现过深的条痕状缺陷。