某车型半轴断裂失效分析

苏安喜 宋文强 向冤梅 吴锡华 曾桂莲 何万珣

摘 要：汽车半轴是汽车驱动桥结构中非常重要的部件，起着动力传递、改变转速联结的重要作用，如果出现断裂失效会导致非常严重的后果。针对某车型开发试验中半轴在极限保压试验过程中发生断裂的问题，通过宏观断口分析、微观断口分析、硬度检测、金相分析查找出了导致半轴断裂的原因。分析结果表明：断口为韧性断口，微观形貌为沿晶断裂和韧窝形貌，显微组织外圈为回火马氏体，心部组织为珠光体和铁素体，主要断裂原因是半轴受外力扭转过载导致断裂失效。另外，芯部存在带状组织和网块状铁素体，在一定程度上降低了晶界的结合强度，促进了半轴的断裂。带状组织可能是铸造过程中合金偏析造成的，且未经过正火消除。网块状铁素体可能是半轴在热处理时淬火温度过高或保温时间过短或冷却速度过快形成的。

关键词：汽车半轴 断口分析 金相分析

Abstract：Half Shaft is a very important part of the vehicle drive axle， which plays an important role in power transmission and changing the speed connection. If fracture failure， it will lead to very serious consequences.Aiming at the problem that the half-shaft fracture occurred in the process of the ultimate pressure holding test in the development test of a certain vehicle model， the cause of the half-shaft fracture was found out through the Macroscopic fracture analysis， Microscopic fracture analysis， hardness detection and metallographic analysis analysis.The results show that the fracture is ductile， the microstructure is intergranular fracture and dimplex morphology， the outside of microstructure is tempered martensite， and the inside microstructure is pearlite and ferrite. The main reason for the fracture failure is torsional overload caused by external force on the half-axis.In addition， There are banded structures and massive ferrites in the interior， It reduces the binding strength of grain boundaries to a certain extent and promotes the fracture of the semi-axis.The banded structure may be caused by alloy segregation in the casting process， and it has not been normalized.The bulk ferrite may be formed by high quenching temperature or short holding time or too fast cooling rate during heat treatment.

Key words：automobile axle fracture analysis Metallographic analysis

1 前言

某車型的汽车半轴在主机厂内进行非常规极限破坏保压试验时，检测人员连续加大油门，与此同时让卡钳处于未释放的锁止状态。在三次踩踏油门后，听到发动机舱有异响发生，且有明显打齿的声音。经过初步检查未发现异常，检测人员重新准备测试车辆。当车辆起步时，出现异常顿挫。随后检测人员把车辆移至举升机，经检查发现半轴发生断裂。断裂位置处于花键一侧，分裂为剩余半轴、花键、以及半轴碎片Ⅰ和半轴碎片Ⅱ。由于是极限工况测试，发生的意外断裂本身存在潜在可能性。试验目的之一是需要找出潜在失效原因，为后期开发提供研发思路。断裂的半轴部分如图1所示。

2 断口分析

2.1 宏观断口分析

2.1.1 断掉的半轴部分为花键，由于半轴部分被磨损为光滑面，不利于分析断裂原因，因此选取花键部分进行宏观的断口形貌分析。使用Leica Dec295体式显微镜观察断口。如图2，可以看出在断裂截面上从外到内组织层次分明，外部有明显金属光泽，略有反光。内部韧性断裂痕迹明显，未见明显缺陷，断裂方向呈顺时针方向，见图2黄色箭头。断口有明显的扭转撕裂痕迹。断裂源处于花键外圆，向中心扩展。于此同时未见白点、夹杂、折叠等其他可见缺陷。

2.1.2 图3为断裂半轴与图1花键中间掉的碎片，共2块小碎片，为半轴碎片Ⅰ和半轴碎片Ⅱ。可与花键端啮合但不能完全啮合成轴状，可能还有碎片在断裂失效时磨损或丢失。进行宏观断口观察，半轴碎片Ⅰ和半轴碎片Ⅱ外表面都有擦伤痕迹，是半轴带动花键在高速旋转中，强行被中止摩擦产生的，该痕迹与半轴磨平部位形貌能够相互印证，于此同时未见白点、夹杂、折叠等其他可见缺陷。

2.1.3 疲劳断裂一般是从工件表面应力集中处或材料缺陷处发生的。在实际疲劳断裂失效中，一般具备应力状态特征、断口宏观形貌特征和微观形貌特征三者之一。[1]从宏观形貌上看，半轴断裂部位、半轴碎片Ⅰ和半轴碎片Ⅱ未发现疲劳裂纹、疲劳台阶、线痕的方向、疲劳弧线、疲劳沟线等疲劳特征，不具备疲劳源。

2.2 微观断口分析

2.2.1 使用扫描电镜观察半轴花键端，扫描位置见图4中A1、A2、A3。另外使用扫描电镜观察图3中的半轴碎片Ⅰ和半轴碎片Ⅱ的微观形貌。

2.2.2 图5至图7为分别为半轴A1、A2、A3部位的微观形貌。图中可以看出明显的沿晶断裂和韧窝。半轴花键与宏观断口的形貌相互印证，属于韧性断裂。

2.2.3 图8、图9为半轴碎片Ⅰ和半轴碎片Ⅱ的微观形貌，也具有明显的沿晶断裂及韧窝形貌。

2.3 硬度检测

使用洛氏硬度计TH320检测半轴断口的洛氏硬度，见表1。从硬度上看，半轴的洛氏硬度符合产品要求。排除因硬度不足造成失效的可能性。

3 金相组织

3.1 试样的制备

金相试样磨面的尺寸通常150mm2～400mm2之间。一般情况下，磨面越大，试样高度越低，稳度越大，越有利于对试样的平稳控制。通过切割样件、镶嵌试样、粗磨、细磨、抛光等试验制备工序制成金相样品，然后经过4%的硝酸酒精侵蚀制成待测试样。

3.2 组织分析

3.2.1 使用ZEISS AIO IMAGER-M1正置式显微镜观察金相组织。图10、图11是半轴花键部位外圈组织，为回火马氏体。有明显马氏体板块晶粒形态存在。

3.2.2 图12、图13分别为心部100X、400X金相图。心部组织为颗粒状或聚集形成的片状形态的珠光体和网状分布的铁素体。由图12可以看到片状的珠光体呈现带状分布，碳元素分布不均。

4 分析与讨论

4.1 材料设计及试验工况的问题

经过调查，该半轴材料为55#与40Cr联结构成，而断裂部分的半轴为55#钢。40Cr钢是常用的中碳低合金高强度调质钢，其抗拉强度、屈服强度及淬透性等指标均优于55钢，应用十分广泛，汽车行业半轴普遍选用40Cr。半轴在运转过程中，经常出现冲击载荷，还可能出现偶然的不正常运转引起的超负荷运转，选材涉及应选择安全系数较大的情况。按公司相关设计要求，半轴的设计峰值扭矩要超过实际结合动载扭矩极限的2倍多。该选材设计思路是部分半轴使用55#钢替代40Cr从而减少成本，然而事实证明两端的材料强度极限不一致，在极限情况下会增大了断裂风险，导致失效。试验工况是极限非常规测试，目的是为了验证传动系统的薄弱点以及验证替代材料对整个系统的影响，试验本身的断裂潜在风险就非常高。

4.2 对半轴花键断口的分析

从宏观断口上看，半轴外圈有明显的撕裂痕迹和扩展痕迹。断裂源处于外圈，逐步向心部扩展，无明显腐蚀特征，整体可见扭转型塑性变形特征。从扫描电镜微观形貌观察，半轴花键的A1、A2、A3部位都是沿晶断裂及韧窝，且半轴碎片Ⅰ和半轴碎片Ⅱ也是沿晶断裂及韧窝，表明半轴花键部位断裂为扭转型过载断裂。[2]半轴在进行非常规极限破坏保压试验时，由于检测人员连续加大油门增加输出扭矩，又使卡钳处于锁止状态，此时半轴承受相当强烈的冲击载荷，最终达到半轴强度脆弱部分的扭转强度极限，从而导致断裂失效。

4.3 热处理的问题

经过调查，该半轴失效部分工艺为：机加工后经过840℃淬火和185℃低温回火，保温时间90min。从工艺上看属于普通碳素钢淬火加低温回火工艺。由图12、图13看出，半轴淬火实际的温度可能较高，高温保温时间可能较短，冷却较快形成网状的铁素体。理论上来讲加热温度过高会导致奥氏体晶粒长大，淬火降温时，45#钢的淬透性不足，芯部相当于只经受了一次正火处理，且因为温度不足，甚至无法获得正火组织的性能[3]。从图12可以看出，珠光体与铁素体呈带状分布。铁素体－珠光体带状组织也称为二次带状组织或者“显微组织带状”，影响带状组织的因素很多，但是带状程度主要取决于合金元素的枝晶偏析、连续冷却的冷却速度以及奥氏体晶粒大小。一般认为，锰的偏析是钢中产生带状组织的主要原因。带状组织会造成钢材的各向异性，使钢材的冲击韧性、塑性、可切削性变差，还会增大氢致开裂倾向，通常带状组织可以通过正火予以消除。

5 结论及建议

5.1 失效半轴的断裂分为2个阶段，第一阶段为半轴花键受外力超出扭转强度极限产生断裂源；第二阶段为断裂源向内部中心扩展最终产生扭转型过载断裂。由于是开发试验过程中的极限测试，断裂破坏属于正常情况。

5.2 半轴设计选材不合适，碳素钢淬透性差，外部与内部组织不均匀，整体强度、韧性及冲击韧性都会受到影响。结合汽车半轴实际工况，建议设计时优先使用合金钢。

5.3 热處理不当导致出现不合格组织是诱因。在半轴热处理过程中，淬火加热温度过高、保温时间过短或者冷却过快，铁素体呈网状分布，从而使半轴性能下降。另外，加工原材料的带状组织虽不是致半轴断裂的主要原因，却对半轴的综合性能有一定影响。建议要严 格要求供应商在原材料检验以及热处理过程中的质量控制。

参考文献：

[1]李海明．40Cr钢汽车半轴断裂原因分析[J].理化检验-物理分册，2016（08）：589-593.

[2]梁威．某核电站阀杆断裂失效分析[J].金属加工（热加工），2022，（08）：71-73.

[3]蔡珍，黄运华，张跃，刘静.冷却速度对铁素体-珠光体带状组织的影响机制.[J].钢铁研究学报，2012（06）：25-30.