汽車底盤內(nèi)半軸斷裂分析

姜 濤，劉德林，趙 凱，孔煥平

(1.北京航空材料研究院，北京 100095;2.航空材料檢測與評價北京市重點實驗室，北京 100095;3.中航工業(yè)失效分析中心，北京 100095)

0 引言

汽車半軸主要承受彎曲、沖擊載荷，是汽車上的易損部件之一，也是汽車重要結(jié)構(gòu)件中失效頻次最高的零件之一，目前國產(chǎn)輕、中、重型汽車及客車后橋半軸所使用的材料主要是中碳合金結(jié)構(gòu)鋼［1］。40Cr 鋼調(diào)質(zhì)處理后具有高的強度、良好的塑性和韌性、好的低溫沖擊韌性，在汽車及鐵路機車車輛中，40Cr 鋼用于制造半軸、車輛轉(zhuǎn)向架以及多種齒輪、軸、螺栓等［2］。近年來，這類部件受到的交變、沖擊、振動等動載荷的作用將急劇增加，由疲勞引起的故障明顯增多。

卡車底盤交付使用幾百公里后先后發(fā)生3 次內(nèi)半軸斷裂故障，其中四橋半軸斷裂2 次，三橋半軸斷裂1 次。內(nèi)半軸材料為40Cr 鋼，主要加工流程為:模鍛→粗車→調(diào)質(zhì)(850 ℃淬火+640 ℃回火)→精車→銑花鍵→花鍵高頻淬火→磨花鍵→磨外圓→銑槽→探傷→軸肩鍍鉻→磨外圓。選擇2 件失效件進行外觀、裂紋及斷口形貌分析，硬度和金相組織檢查，對其失效原因進行了分析。

1 試驗過程與結(jié)果

1.1 外觀觀察

為了便于說明，按照內(nèi)半軸所處橋位將三橋斷裂的內(nèi)半軸編為“L3”，四軸斷裂的內(nèi)半軸編為“L4”。將內(nèi)半軸的花鍵段分為2 段:配合段(內(nèi)、外花鍵配合的區(qū)段)和自由段(不與內(nèi)花鍵配合的區(qū)段)。

L3 和L4 軸的外觀見圖1。2 根軸的花鍵段發(fā)生了逆時針(面向自由段)的扭轉(zhuǎn)變形，橫向斷裂位置均位于內(nèi)、外花鍵配合截面處，軸的自由段已經(jīng)嚴重扭轉(zhuǎn)變形，而配合段僅斷口邊緣局部變形。L3 軸的自由段有一個花鍵沿淬硬區(qū)與未淬硬區(qū)的交界處斷裂，斷面光亮，其它花鍵根部也多存在裂口(圖2)。斷口附近的花鍵根部都存在縱向開裂，其截面形貌見圖3，可見每個花鍵兩側(cè)都存在縱向開裂，縱裂沿徑向擴展的深度分為深、淺兩類，所有深的裂紋均出現(xiàn)車輛前進時花鍵的受力面一側(cè);所有淺的裂紋均出現(xiàn)在車輛倒車時花鍵的受力面一側(cè)。

圖1 斷裂內(nèi)半軸外觀Fig.1 Appearance of half-shafts

1.2 斷口觀察

L3 軸自由段斷口基本垂直花鍵軸，呈星型、銀灰色，表面可見明顯的逆時針(面向自由段)扭轉(zhuǎn)變形痕跡。斷面起伏較大，外周光亮，花鍵處存在剪切唇，中心為下陷灰色粗糙區(qū)。斷面上可見每個花鍵兩側(cè)的縱向開裂，開裂徑向深度相對較深(圖4a)。L4 軸自由段斷口形貌與L3 軸相似，斷面上可見每個花鍵兩側(cè)的縱向開裂，只是開裂徑向深度相對L3 軸較淺(圖4b)。

圖2 L3 軸花鍵自由段損傷情況Fig.2 Appearance of spline free part

圖3 L3 軸花鍵斷口附近截面的縱向開裂Fig.3 Lengthwise cracks near L3 axes fracture

將內(nèi)半軸斷口清洗后放入掃描電鏡進行觀察，兩者整體形貌接近，典型特征如下:

內(nèi)半軸橫向斷口花鍵根部低倍下可見縱裂、磨損和扭轉(zhuǎn)形貌(圖5a)，高倍為剪切韌窩特征(圖5b)。將L3 軸的縱向裂口打開后進行觀察，表面低倍下呈擠壓、摩擦形貌(圖5c)，高倍下局部可見類似疲勞條紋(圖5d)。內(nèi)半軸縱向人為打斷區(qū)為細小撕裂韌窩(圖5e)，并可見大量縱向條狀硫化物夾雜;斷口局部可見準解理斷裂特征(圖5f)。L4 軸人為斷口靠近心部基本為準解理特征。

1.3 金相檢驗

垂直軸的花鍵部位切取并磨制金相試樣，其夾雜物尺寸較大、數(shù)量較多(圖6)。將試樣腐蝕后進行組織檢查，兩根軸的組織基本相同:花鍵淬火區(qū)均為細小馬氏體，心部為灰色索氏體+白色條狀鐵素體組織(圖7)，鐵素體含量由外向內(nèi)遞增，其中L4 軸鐵素體更多。

圖4 內(nèi)半軸斷口宏觀形貌Fig.4 Appearance of half-shaft fractures

圖5 內(nèi)半軸斷口微觀形貌Fig.5 Micro appearance of half-shaft fracture

圖6 內(nèi)半軸橫截面夾雜物分布情況Fig.6 Inclusion of half-shaft cross section

圖7 內(nèi)半軸橫截面組織Fig.7 Microstructure of half-shaft cross section

1.4 花鍵根部檢查

在截面金相試樣上對花鍵根部形貌進行觀察，花鍵根部加工凹槽形貌基本一致，底部兩側(cè)存在2～3 個小臺階(圖8a)。選取縱裂比較典型的L3 軸進行觀察，可見花鍵表面淬火區(qū)完整，縱裂起源于槽底臺階處，裂紋錯開，匹配較差(圖8b)。

1.5 硬度檢測

分別垂直2根軸的花鍵部位切取試樣進行硬度測定，結(jié)果見表1。L3、L4 軸花鍵根部硬度接近技術(shù)要求上限，基本合格。L3 心部硬度合格，L4 心部硬度略低。

2 分析與討論

觀察中發(fā)現(xiàn)內(nèi)半軸損傷形式主要表現(xiàn)為3種:1)花鍵根部的縱向開裂;2)花鍵自由段的扭轉(zhuǎn)變形;3)內(nèi)外花鍵配合截面處的橫向斷裂。這3 種損傷必然有先后之分和因果關(guān)系，但由于斷口大多磨損，無法從微觀形態(tài)上準確判斷3 者失效順序，因此分別對橫、縱兩種斷裂形態(tài)進行分析，以確定完整的失效過程。

圖8 花鍵的橫截面Fig.8 Cross section of spline

表1 內(nèi)半軸硬度測量結(jié)果Table 1 Hardness testing results of half-shaft

2.1 內(nèi)半軸橫向斷裂原因分析

2 根內(nèi)半軸的自由段在斷裂前都發(fā)生了明顯的扭轉(zhuǎn)變形，斷口存在明顯的扭轉(zhuǎn)剪切痕跡，且斷口表面除剪切韌窩和準解理外未見其他斷裂特征，說明內(nèi)半軸最終的橫向斷裂其性質(zhì)均為扭轉(zhuǎn)剪切斷裂。

內(nèi)半軸工作中主要承受扭矩作用，需要強度、剛度和扭矩的合理匹配，強度低于設(shè)計要求或者扭矩超出設(shè)計要求的范圍，都可能導(dǎo)致內(nèi)半軸的扭轉(zhuǎn)剪切斷裂。失效底盤使用了幾百公里，行駛路況良好，其他相關(guān)部件檢查也未見異常，出現(xiàn)突發(fā)大扭矩導(dǎo)致過載斷裂的可能性不大。對于主要承受扭矩的軸來講，扭轉(zhuǎn)強度的校核較為簡單，并且安全預(yù)度較高，檢查表明除L4 軸的心部硬度略低外，其余硬度均符合技術(shù)要求，說明其橫向斷裂失效應(yīng)非半軸原始性能偏低所致，由此推斷內(nèi)半軸在使用中應(yīng)該出現(xiàn)了抗扭剪能力的下降或者局部載荷的升高。下面就引起內(nèi)半軸橫向斷裂的原因進行討論。

在內(nèi)半軸配合段與自由段的過度處存在大量的縱向裂紋，這些裂紋都沿徑向深入軸的內(nèi)部，相當于把一根完整的軸縱剖為十幾塊。將半軸簡化為光軸進行有限元建模，軸的直徑為50 mm，長為100 mm。材料屬性為鋼:彈性模量210 GPa，泊松比0.3，各向同性。軸一端6 個自由度全部約束，另一端施加自定義的扭矩50 N·m。然后進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格選用六面體單元格，單元屬性為C3D8R。

首先，分別模擬縱向裂紋將光軸分割1、6、12等分時應(yīng)力分布情況，計算結(jié)果見圖9。1 等分時(完整光軸)，Mises 最大應(yīng)力位于軸的表面，大小為34.6 MPa;6 等分時，Mises 最大應(yīng)力位于軸表面自由或約束斷面尖角處，大小為121 MPa;12 等分時，Mises 最大應(yīng)力位于軸表面自由或約束斷面尖角處，大小為190 MPa。

之后，分別模擬縱向裂紋沿徑向擴展10、15 mm 深時的應(yīng)力分布情況，計算結(jié)果見圖10?？v裂徑向擴展10 mm 時，Mises 最大應(yīng)力位于光軸中部徑向裂紋尖端，大小為478 MPa，同時，軸表面自由或約束斷面尖角處Mises 應(yīng)力也明顯高于表面，達到110 MPa 左右;縱裂徑向擴展15 mm 時，Mises 最大應(yīng)力位于光軸中部徑向裂紋尖端，大小為686 MPa，同時，軸表面自由或約束斷面尖角處Mises 應(yīng)力也明顯高于表面，達到160 MPa 左右。

圖9 縱向裂紋將光軸分割不同等分時應(yīng)力分布情況Fig.9 Stress distribution of axes

有限元分析結(jié)果表明，承受純扭轉(zhuǎn)載荷的軸被縱向疲勞裂紋徑向分割前后，約束部位(內(nèi)外花鍵配合截面)局部應(yīng)力較完整表面升高了數(shù)倍，并且應(yīng)力隨著縱裂數(shù)量的增多而增大;同時，縱裂裂紋尖端應(yīng)力更高?？梢娺@種縱裂的結(jié)果就是導(dǎo)致內(nèi)半軸局部應(yīng)力急劇升高，必然降低了軸工作能力，而且這種降低隨著縱裂的深入而加劇，當降低到一定程度時，內(nèi)半軸就會在扭矩最大時沿著應(yīng)力突變截面——內(nèi)外花鍵配合截面發(fā)生扭轉(zhuǎn)剪切過載斷裂，被縱裂分割的各部分由于約束減小而發(fā)生大的扭轉(zhuǎn)變形。這也解釋了內(nèi)半軸的抗扭能力為什么會下降并在正常載荷下發(fā)生突然的剪切斷裂。

圖10 φ50 mm 光軸縱向裂紋徑向擴展時應(yīng)力分布Fig.10 Crack initiation position

內(nèi)半軸斷口均呈星型，其面對自由段的扭轉(zhuǎn)變形方向相同，均為汽車倒車時的受力方向——扭矩最大方向;L4軸縱裂徑向深度接近且均較L3 軸淺，這應(yīng)該是由于底盤四橋的扭矩要大于三橋的扭矩，所以在縱裂擴展較淺時就已經(jīng)斷裂，這些現(xiàn)象也證明了內(nèi)半軸首先沿花鍵根部發(fā)生了縱裂，縱向裂紋擴展到花鍵配合截面、淬硬與未淬硬交界區(qū)等受力較大且彈性模量差異較大部位時發(fā)生橫向斷裂。

2.2 內(nèi)半軸花鍵根部縱裂原因分析

半軸正常工作中主要承受交變扭轉(zhuǎn)載荷作用，失效模式以疲勞為主［3-4］，但內(nèi)半軸花鍵根部縱向裂紋斷面磨損變形嚴重，僅局部可見類似疲勞或者塑性變形的條紋狀特征，其特征以與III 型扭轉(zhuǎn)載荷為主的疲勞斷口特征接近［5］，但僅憑斷口形貌判斷縱裂的性質(zhì)略顯證據(jù)不足，下面從裂紋形態(tài)和受力情況對其性質(zhì)進行判斷。

內(nèi)半軸斷口處花鍵兩側(cè)根部都存在縱向開裂，深的裂紋均出現(xiàn)在花鍵的同一側(cè)——車輛前進時花鍵的受力部位;淺的裂紋均出現(xiàn)在花鍵的另一側(cè)——車輛倒車時花鍵的受力部位，這說明縱裂的產(chǎn)生與車輛前進和倒退時在花鍵根部產(chǎn)生的張應(yīng)力有關(guān)。

花鍵軸類零件由于表面開有凹槽，在凹槽根部尖角處容易產(chǎn)生疲勞裂紋，并沿著與最大張應(yīng)力相垂直的方向擴展，并且當各花鍵根部均萌生疲勞裂紋并共同向心部擴展時，花鍵軸最終將以星形斷口方式斷裂［6］，內(nèi)半軸縱向裂紋的萌生位置、走向與最終斷裂形式均與此失效模式相同。結(jié)合縱向裂紋斷口分析結(jié)果判斷，縱向裂紋的性質(zhì)應(yīng)為大應(yīng)力疲勞裂紋，這種大應(yīng)力應(yīng)源自車輛起動或轉(zhuǎn)彎時瞬間扭矩的增大。

內(nèi)半軸花鍵處表面性能符合設(shè)計要求，淬火區(qū)完整，內(nèi)半軸反復(fù)承受了過大扭矩作用才是其縱向開裂的根本原因?；ㄦI槽底存在小的加工臺階引起的應(yīng)力集中、半軸縱向存在大量非金屬夾雜物都對疲勞性能不利。

2.3 預(yù)防措施

分析結(jié)果表明，內(nèi)半軸花鍵根部首先發(fā)生的扭轉(zhuǎn)疲勞開裂是導(dǎo)致其最終斷裂的根本原因，針對這一原因，將對改善內(nèi)半軸使用性能的途徑進行簡單論述。

1)適當提高內(nèi)半軸的強度、剛度水平。軸的抗疲勞能力一般與材料強度正相關(guān)，而剛度的提高有利于降低內(nèi)外花鍵交界面處局部應(yīng)變產(chǎn)生的應(yīng)力。內(nèi)半軸為40Cr 材質(zhì)，常用于制造載荷較大，而無大沖擊載荷的重要軸。失效內(nèi)半軸的組織為索氏體+鐵素體組織，是一種調(diào)質(zhì)不良組織，與淬火溫度過低、冷卻速度過慢有關(guān)［7-8］。正常情況下40Cr 調(diào)質(zhì)處理以綜合機械性能較好的索氏體為主，承受沖擊載荷以及后續(xù)的表面感應(yīng)淬火質(zhì)量均優(yōu)于失效半軸，因此提高其熱處理質(zhì)量對抗疲勞失效有一定好處。但由于40Cr 鋼大尺寸構(gòu)件的調(diào)質(zhì)處理質(zhì)量較難保證，并且強度提高能力有限，必要時可以考慮換用強度更高的合金結(jié)構(gòu)鋼替代。

2)控制原材料非金屬夾雜物數(shù)量，可進一步提高其使用性能。大量非金屬夾雜物沿內(nèi)半軸的縱向分布，割裂了基體的連續(xù)性，導(dǎo)致材料橫向(與最大張應(yīng)力相垂直的方向)性能降低［9］，對花鍵根部的疲勞性能不利，控制原材料夾雜物水平，提高材料純凈度對提高半軸使用性能有利。

3)優(yōu)化底盤設(shè)計，平衡各橋應(yīng)力分配，降低三、四橋內(nèi)半軸所承受的扭矩水平。

差速器用以連接左右半軸，可使兩側(cè)車輪以不同角速度旋轉(zhuǎn)同時傳遞扭矩，保證車輪的正常滾動。多橋驅(qū)動的汽車，軸間裝有橋間差速器，作用是在汽車轉(zhuǎn)彎或不平坦路面上行駛時，使前后驅(qū)動輪之間產(chǎn)生差速作用。差速器的設(shè)計直接關(guān)系到各橋之間的扭矩分配，對其進行優(yōu)化設(shè)計也是選擇之一。

4)通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化降低內(nèi)半軸應(yīng)力集中水平。內(nèi)半軸花鍵段分為自由段與配合段，在使用中在兩者交界處(內(nèi)外花鍵配合截面)處應(yīng)力也發(fā)生突變，從而產(chǎn)生一定的應(yīng)力集中，所以縱裂均出現(xiàn)在此處，可以采用配合段花鍵+自由段光軸圓滑過渡、增加減載槽等方式改善局部應(yīng)力分布，降低局部應(yīng)力。

3 結(jié)論

1)內(nèi)半軸首先在花鍵根部發(fā)生了大應(yīng)力的扭轉(zhuǎn)疲勞開裂，最終沿半軸橫向扭轉(zhuǎn)剪切斷裂。

2)內(nèi)半軸反復(fù)承受了過大扭矩作用是其縱向疲勞開裂的根本原因，花鍵槽底存在加工臺階引起的應(yīng)力集中和半軸縱向存在的大量非金屬夾雜物都對疲勞性能不利。

3)通過提高內(nèi)半軸強度水平和冶金質(zhì)量，優(yōu)化底盤設(shè)計平衡分配橋間扭矩，以及通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化降低內(nèi)半軸應(yīng)力集中水平等綜合改進可以避免此類故障。

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