汽车后桥半轴断裂分析

摘要：通过硬度测定及金相检验，确认，汽车后桥半轴产生疲劳断裂的原因系热处理不当，使半轴的组织中出现较多的铁素体，造成硬度和强度的不足而引起的。
化学成分分析和硬度测定
1.化学成分分析 （GB3077-881）。
2.硬度测定 40CrZB/T21004-89《汽车半轴技术条件》标准，该轴经预调质后心部硬度为24^30HRC，中频淬火处理后，杆部表面硬度52HRC3个硬度单位。实际检验结果，该半轴的硬度偏低。
宏、微观检验
1.宏观检验 断裂产生于花键处，断口呈菊花状，整个断面为倒圆锥形，裂纹最先在花键轴外侧产生。心部区域，其颜色灰黑且无金属光泽，为最终瞬时断裂区。
2裂纹分析
(1)断裂半轴基体夹杂很少，近裂纹两侧无夹杂，但裂纹内有氧化皮，因此不具备非金属夹杂引起的裂纹特征；
(2)裂纹两侧无脱碳，其线条平缓，尾部细长，不呈圆秃状，排除由于原料本身有缺陷(白点、疏松、翻皮、皮下气泡)引起的非淬火裂纹；
(3)裂纹深度超过淬硬层，淬硬层内索氏体和屈氏体组织细小、均匀，排除由于淬火温度过高等淬火不当引起的淬火裂纹。
3显微组织
根据有关文献，40Cr钢经调质处理后未硬化层为屈氏体和索氏体组织，心部允许有铁素体存在。
在花键轴断裂处取样，光学显微镜下观察，花键齿部组织为回火索氏体和回火屈氏体。半轴心部基体组织为索氏体，其上有沿晶界析出的网状和针状分布的铁素体，黑色团状物为屈氏体。可见铁素体随距花键底往心部的推移铁素体含量逐渐增多。
4讨论
根据成分分析可知，该半轴所用材料的化学成分符合标准GB3077-88中40Cr的成分要求，且钢质纯洁，故可以排除因材料错用和钢质不良而造成断裂这一因素。
半轴花键处的硬度检验结果表明，从心部到齿部的硬度值都明显偏低。因为半轴的工作环境恶劣，又承受的是双向交变扭转应力，而花键轴又是力支点，故硬度不足就可能导致在各个凹槽的夹角处形成疲劳核心，并同时沿着士45o两个侧斜方向扩展，在轴的中央汇合，最终呈星形断口。
从显微组织上看，半轴中含有较多的铁素体，并沿晶界呈网状和针状析出。一般汽车半轴需要经调质处理，即将半轴加热至Ac3+(30～50℃)，保温一段时间，然后以大于临界冷却速度冷却，在不碰到C曲线鼻尖的情况下过冷奥氏体全部转化为马氏体。若冷却速度小于临界冷却速度，将会产生一部分奥氏体向屈氏体和贝氏体转变，且铁素体将沿晶界优先析出，造成钢件硬度、强度降低。出现这种情况的原因一般有两种：一种是冷却介质选择不当；另一种是由于批量生产，装炉量太多，零件堆积形成冷热循环不良，使得C曲线偏左，淬火后势必出现屈氏体和未溶化铁素体组织。这种淬火组织中的未溶铁素体是高温回火无法去除的。回火的目的主要在于消除淬火及晶格畸变所产生的内应力，降低硬度，提高塑性和韧性，对已存在的铁素体不会有什么变化。此半轴显微组织中所出现的细网状铁素体也是在淬火后存在的组织。不同的是块状铁素体是淬火温度低和保温时间不足，没有充分奥氏体化所造成，而网状铁素体是在冷却过程中由于冷却速度较慢，铁素体沿晶界优先析出之故。
在调质钢要求中，回火组织中是不允许有较多的游离铁素体存在，尤其是沿晶界分布的细网状游离铁素体。它不仅使强度下降，而且直接影响疲劳断裂。因为钢件的破坏总是从强度较低的游离铁素体开始的，尤其是在复杂交变应力下工作的钢件，一但心部有游离铁素体，在工作时铁素体处于冷加工硬化状态下，随工作时间的延长，到一定限度就会由硬化发展到脆化，进而脆断。另外，由于铁素体和索氏体的强度和塑性变形的差异，钢件在承受相同的应力时，产生不同的塑性变形，其在两相邻组分内，晶界部分产生较大的应力和变形，这种残余应力和变形一旦超过钢件的抗裂强度即引起晶界破裂，当继续扩大则成为疲劳断裂的主要根源。因此，半轴组织中存在的较多铁素体是断裂的根本原因。