變速器輸出軸斷裂分析

張志強(qiáng) 王福平

摘 要：利用元素成分檢測(cè)、金相檢測(cè)、硬度檢測(cè)、SEM分析和EDS分析等方法， 對(duì)材料為20CrMnTiH的某車(chē)型變速器輸出軸進(jìn)行失效分析。 結(jié)果表明， 原材料晶界Cr、Mn元素偏析是變速器輸出軸脆性沿晶斷裂的根本原因。

關(guān)鍵詞：變速器；輸出軸；斷裂；偏析

1失效情況

某車(chē)型在新疆行駛時(shí)發(fā)生變速器輸出軸斷裂事件，斷裂時(shí)的行車(chē)?yán)锍虨?000公里，輸出軸材料為20CrMnTiH，經(jīng)淬火-回火-拋丸熱處理工藝，技術(shù)要求：表面硬度HRC58～64，心部硬度HRC30～43。

2 檢測(cè)

2.1 斷口形貌

對(duì)輸出軸斷口進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)斷裂位置在輸出軸變徑倒角處，鍛造時(shí)變形量較大（見(jiàn)圖1）。掃描電子顯微鏡下觀察其斷口形貌，整個(gè)斷口呈脆性沿晶斷裂特征（見(jiàn)圖2）。

圖1 宏觀外形

圖2 斷口形貌

2.2 金相檢測(cè)

將輸出軸沿軸向剖開(kāi)，磨拋，在未經(jīng)腐蝕下進(jìn)行觀察[1]，發(fā)現(xiàn)斷口附近存在嚴(yán)重的晶界偏析（見(jiàn)圖3）。在掃描電子顯微鏡下觀察，與金相觀察試樣狀態(tài)相同，不僅可以清晰的看到晶界偏析，還發(fā)現(xiàn)偏析的位置已出現(xiàn)開(kāi)裂（見(jiàn)圖4）。

圖3 偏析（光學(xué)顯微鏡）

圖4 偏析（掃描電子顯微鏡）

對(duì)輸出軸樣塊腐蝕后進(jìn)行觀察[1]，表層組織為針狀馬氏體，心部組織為板條狀馬氏體+殘余奧氏體，心部馬氏體組織轉(zhuǎn)變不充分（見(jiàn)圖5）。

圖5 微觀組織

2.3 EDS分析

選取偏析位置進(jìn)行EDS面掃描分析，發(fā)現(xiàn)偏析處Cr、Mn聚集，含量偏高（見(jiàn)圖6）。

圖6 EDS面掃描分析

2.4 成分檢測(cè)

取輸出軸斷口附近試樣進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)[2]，結(jié)果如下：

2.5 硬度檢測(cè)

截取輸出軸中裂紋橫截面與縱截面進(jìn)行洛氏硬度檢測(cè)[3]，與非裂紋區(qū)橫截面硬度進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)表2。

3 失效分析

本案變速器輸出軸的化學(xué)成分滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，但Cr、Mn等合金元素在原奧氏體晶界存在嚴(yán)重的偏析。偏析是在冶金鑄造過(guò)程中形成，易產(chǎn)生脆性相，弱化晶界，降低材料的綜合力學(xué)性能和后續(xù)鍛造性能，極易產(chǎn)生裂紋[5]。本案輸出軸斷裂位置在變徑處，鍛造時(shí)變形量較大，弱化的原奧氏體晶界極易在變形過(guò)程中開(kāi)裂，如圖3、圖4所示，形成鍛造裂紋。在服役過(guò)程中，輸出軸變徑處晶界持續(xù)開(kāi)裂，并沿著原奧氏體晶界迅速擴(kuò)展，最終導(dǎo)致本案變速器在服役很短的時(shí)間內(nèi)即出現(xiàn)失效。如圖2所示，斷口整體表現(xiàn)為脆性沿晶斷裂特征。

同時(shí)，輸出軸硬度偏下限，直接導(dǎo)致變徑位置鍛造后硬度不合格。結(jié)合變徑位置金相組織觀察推斷熱處理過(guò)程中馬氏體轉(zhuǎn)變不充分是造成這一現(xiàn)象的主要原因。

綜上所述，原材料晶界Cr、Mn元素偏析導(dǎo)致鍛造裂紋，是本案變速器輸出軸脆性沿晶斷裂的根本原因；其次，輸出軸熱處理后硬度偏下限，也降低了零部件的綜合力學(xué)性能。

4 改進(jìn)建議

（1）加強(qiáng)冶金過(guò)程中的工藝控制，提高原材料的品質(zhì)，控制原材料中合金元素的偏析，提高原材料的塑性和韌性。

（2）加強(qiáng)熱處理過(guò)程中的工藝控制，適當(dāng)改善淬火時(shí)間和淬火溫度，提高輸出軸淬火后的硬度。

參考文獻(xiàn)

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[4] GB/T 9450-2005 鋼件滲碳淬火硬化層深度的測(cè)定和校核[S]

[5] 劉俞銘 金屬熱處理常見(jiàn)工藝技術(shù)五百種與質(zhì)量缺陷分析防治及最新標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用、常用參數(shù)速查實(shí)用手冊(cè)[M] 北京：北方工業(yè)出版社 2006.1