汽車后橋半軸斷裂分析

摘要：通過硬度測定及金相檢驗，確認，汽車后橋半軸產生疲勞斷裂的原因系熱處理不當，使半軸的組織中出現(xiàn)較多的鐵素體，造成硬度和強度的不足而引起的。
化學成分分析和硬度測定
1.化學成分分析 （GB3077-881）。
2.硬度測定 40CrZB/T21004-89《汽車半軸技術條件》標準，該軸經預調質后心部硬度為24^30HRC，中頻淬火處理后，桿部表面硬度52HRC3個硬度單位。實際檢驗結果，該半軸的硬度偏低。
宏、微觀檢驗
1.宏觀檢驗 斷裂產生于花鍵處，斷口呈菊花狀，整個斷面為倒圓錐形，裂紋最先在花鍵軸外側產生。心部區(qū)域，其顏色灰黑且無金屬光澤，為最終瞬時斷裂區(qū)。
2裂紋分析
(1)斷裂半軸基體夾雜很少，近裂紋兩側無夾雜，但裂紋內有氧化皮，因此不具備非金屬夾雜引起的裂紋特征；
(2)裂紋兩側無脫碳，其線條平緩，尾部細長，不呈圓禿狀，排除由于原料本身有缺陷(白點、疏松、翻皮、皮下氣泡)引起的非淬火裂紋；
(3)裂紋深度超過淬硬層，淬硬層內索氏體和屈氏體組織細小、均勻，排除由于淬火溫度過高等淬火不當引起的淬火裂紋。
3顯微組織
根據有關文獻，40Cr鋼經調質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狀和針狀分布的鐵素體，黑色團狀物為屈氏體?？梢婅F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
根據成分分析可知，該半軸所用材料的化學成分符合標準GB3077-88中40Cr的成分要求，且鋼質純潔，故可以排除因材料錯用和鋼質不良而造成斷裂這一因素。
半軸花鍵處的硬度檢驗結果表明，從心部到齒部的硬度值都明顯偏低。因為半軸的工作環(huán)境惡劣，又承受的是雙向交變扭轉應力，而花鍵軸又是力支點，故硬度不足就可能導致在各個凹槽的夾角處形成疲勞核心，并同時沿著士45o兩個側斜方向擴展，在軸的中央匯合，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，并沿晶界呈網狀和針狀析出。一般汽車半軸需要經調質處理，即將半軸加熱至Ac3+(30～50℃)，保溫一段時間，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冷奧氏體全部轉化為馬氏體。若冷卻速度小于臨界冷卻速度，將會產生一部分奧氏體向屈氏體和貝氏體轉變，且鐵素體將沿晶界優(yōu)先析出，造成鋼件硬度、強度降低。出現(xiàn)這種情況的原因一般有兩種：一種是冷卻介質選擇不當；另一種是由于批量生產，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法去除的?；鼗鸬哪康闹饕谟谙慊鸺熬Ц窕兯a生的內應力，降低硬度，提高塑性和韌性，對已存在的鐵素體不會有什么變化。此半軸顯微組織中所出現(xiàn)的細網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間不足，沒有充分奧氏體化所造成，而網狀鐵素體是在冷卻過程中由于冷卻速度較慢，鐵素體沿晶界優(yōu)先析出之故。
在調質鋼要求中，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網狀游離鐵素體。它不僅使強度下降，而且直接影響疲勞斷裂。因為鋼件的破壞總是從強度較低的游離鐵素體開始的，尤其是在復雜交變應力下工作的鋼件，一但心部有游離鐵素體，在工作時鐵素體處于冷加工硬化狀態(tài)下，隨工作時間的延長，到一定限度就會由硬化發(fā)展到脆化，進而脆斷。另外，由于鐵素體和索氏體的強度和塑性變形的差異，鋼件在承受相同的應力時，產生不同的塑性變形，其在兩相鄰組分內，晶界部分產生較大的應力和變形，這種殘余應力和變形一旦超過鋼件的抗裂強度即引起晶界破裂，當繼續(xù)擴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。