汽車后橋半軸斷裂分析

摘要：通過(guò)硬度測(cè)定及金相檢驗(yàn)，確認(rèn)，汽車后橋半軸產(chǎn)生疲勞斷裂的原因系熱處理不當(dāng)，使半軸的組織中出現(xiàn)較多的鐵素體，造成硬度和強(qiáng)度的不足而引起的。
化學(xué)成分分析和硬度測(cè)定
1.化學(xué)成分分析 （GB3077-881）。
2.硬度測(cè)定 40CrZB/T21004-89《汽車半軸技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)，該軸經(jīng)預(yù)調(diào)質(zhì)后心部硬度為24^30HRC，中頻淬火處理后，桿部表面硬度52HRC3個(gè)硬度單位。實(shí)際檢驗(yàn)結(jié)果，該半軸的硬度偏低。
宏、微觀檢驗(yàn)
1.宏觀檢驗(yàn) 斷裂產(chǎn)生于花鍵處，斷口呈菊花狀，整個(gè)斷面為倒圓錐形，裂紋最先在花鍵軸外側(cè)產(chǎn)生。心部區(qū)域，其顏色灰黑且無(wú)金屬光澤，為最終瞬時(shí)斷裂區(qū)。
2裂紋分析
(1)斷裂半軸基體夾雜很少，近裂紋兩側(cè)無(wú)夾雜，但裂紋內(nèi)有氧化皮，因此不具備非金屬夾雜引起的裂紋特征；
(2)裂紋兩側(cè)無(wú)脫碳，其線條平緩，尾部細(xì)長(zhǎng)，不呈圓禿狀，排除由于原料本身有缺陷(白點(diǎn)、疏松、翻皮、皮下氣泡)引起的非淬火裂紋；
(3)裂紋深度超過(guò)淬硬層，淬硬層內(nèi)索氏體和屈氏體組織細(xì)小、均勻，排除由于淬火溫度過(guò)高等淬火不當(dāng)引起的淬火裂紋。
3顯微組織
根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)，40Cr鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后未硬化層為屈氏體和索氏體組織，心部允許有鐵素體存在。
在花鍵軸斷裂處取樣，光學(xué)顯微鏡下觀察，花鍵齒部組織為回火索氏體和回火屈氏體。半軸心部基體組織為索氏體，其上有沿晶界析出的網(wǎng)狀和針狀分布的鐵素體，黑色團(tuán)狀物為屈氏體?？梢?jiàn)鐵素體隨距花鍵底往心部的推移鐵素體含量逐漸增多。
4討論
根據(jù)成分分析可知，該半軸所用材料的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)GB3077-88中40Cr的成分要求，且鋼質(zhì)純潔，故可以排除因材料錯(cuò)用和鋼質(zhì)不良而造成斷裂這一因素。
半軸花鍵處的硬度檢驗(yàn)結(jié)果表明，從心部到齒部的硬度值都明顯偏低。因?yàn)榘胼S的工作環(huán)境惡劣，又承受的是雙向交變扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，而花鍵軸又是力支點(diǎn)，故硬度不足就可能導(dǎo)致在各個(gè)凹槽的夾角處形成疲勞核心，并同時(shí)沿著士45o兩個(gè)側(cè)斜方向擴(kuò)展，在軸的中央?yún)R合，最終呈星形斷口。
從顯微組織上看，半軸中含有較多的鐵素體，并沿晶界呈網(wǎng)狀和針狀析出。一般汽車半軸需要經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，即將半軸加熱至Ac3+(30～50℃)，保溫一段時(shí)間，然后以大于臨界冷卻速度冷卻，在不碰到C曲線鼻尖的情況下過(guò)冷奧氏體全部轉(zhuǎn)化為馬氏體。若冷卻速度小于臨界冷卻速度，將會(huì)產(chǎn)生一部分奧氏體向屈氏體和貝氏體轉(zhuǎn)變，且鐵素體將沿晶界優(yōu)先析出，造成鋼件硬度、強(qiáng)度降低。出現(xiàn)這種情況的原因一般有兩種：一種是冷卻介質(zhì)選擇不當(dāng)；另一種是由于批量生產(chǎn)，裝爐量太多，零件堆積形成冷熱循環(huán)不良，使得C曲線偏左，淬火后勢(shì)必出現(xiàn)屈氏體和未溶化鐵素體組織。這種淬火組織中的未溶鐵素體是高溫回火無(wú)法去除的?；鼗鸬哪康闹饕谟谙慊鸺熬Ц窕兯a(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，降低硬度，提高塑性和韌性，對(duì)已存在的鐵素體不會(huì)有什么變化。此半軸顯微組織中所出現(xiàn)的細(xì)網(wǎng)狀鐵素體也是在淬火后存在的組織。不同的是塊狀鐵素體是淬火溫度低和保溫時(shí)間不足，沒(méi)有充分奧氏體化所造成，而網(wǎng)狀鐵素體是在冷卻過(guò)程中由于冷卻速度較慢，鐵素體沿晶界優(yōu)先析出之故。
在調(diào)質(zhì)鋼要求中，回火組織中是不允許有較多的游離鐵素體存在，尤其是沿晶界分布的細(xì)網(wǎng)狀游離鐵素體。它不僅使強(qiáng)度下降，而且直接影響疲勞斷裂。因?yàn)殇摷钠茐目偸菑膹?qiáng)度較低的游離鐵素體開(kāi)始的，尤其是在復(fù)雜交變應(yīng)力下工作的鋼件，一但心部有游離鐵素體，在工作時(shí)鐵素體處于冷加工硬化狀態(tài)下，隨工作時(shí)間的延長(zhǎng)，到一定限度就會(huì)由硬化發(fā)展到脆化，進(jìn)而脆斷。另外，由于鐵素體和索氏體的強(qiáng)度和塑性變形的差異，鋼件在承受相同的應(yīng)力時(shí)，產(chǎn)生不同的塑性變形，其在兩相鄰組分內(nèi)，晶界部分產(chǎn)生較大的應(yīng)力和變形，這種殘余應(yīng)力和變形一旦超過(guò)鋼件的抗裂強(qiáng)度即引起晶界破裂，當(dāng)繼續(xù)擴(kuò)大則成為疲勞斷裂的主要根源。因此，半軸組織中存在的較多鐵素體是斷裂的根本原因。