三柱槽殼桿部斷裂分析

高 振，鄭金松，方 靜，曹慧泉，黃 勇

(萬(wàn)向錢(qián)潮股份有限公司 技術(shù)中心，杭州 311215)

0 引言

等速驅(qū)動(dòng)軸在汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中起著動(dòng)力傳輸?shù)淖饔茫谶\(yùn)行過(guò)程中承受著較高的扭轉(zhuǎn)、彎曲、沖擊以及各種復(fù)合載荷，易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)、彎曲和斷裂失效[1-2]。三柱槽殼作為等速驅(qū)動(dòng)軸總成中的重要零件之一，工作時(shí)承受極其復(fù)雜的交變載荷，主要的失效模式有桿部斷裂和內(nèi)腔磨損等[3]。等速驅(qū)動(dòng)軸在新車下線并進(jìn)行駐車上坡測(cè)試時(shí)，三柱槽殼桿部發(fā)生斷裂。三柱槽殼材質(zhì)為CF53，主要生產(chǎn)工藝為：下料→精鍛→機(jī)加工→中頻感應(yīng)淬回火→校直→回火。其中校直工序是細(xì)長(zhǎng)桿件加工過(guò)程中的重要工藝之一，校直產(chǎn)生的殘余應(yīng)力的降低與消除對(duì)工件十分重要。本研究通過(guò)對(duì)失效件進(jìn)行綜合分析，確定斷裂原因，有助于減少和預(yù)防同類零部件產(chǎn)品的失效重復(fù)發(fā)生，保障產(chǎn)品質(zhì)量。

1 檢驗(yàn)與分析

1.1 斷口宏觀形貌分析

三柱槽殼桿部斷裂部位如圖1箭頭所示，材料整體無(wú)明顯變形。斷口呈銀灰金屬色，如圖2所示。

圖2中箭頭所指區(qū)域?yàn)榉派錀l紋的收斂處，該區(qū)域?yàn)榱鸭y源位置，裂紋的擴(kuò)展始于桿部亞表面淬硬層區(qū)域，由裂紋源為起點(diǎn)以放射狀的形態(tài)延伸，然后沿人字紋特征向兩側(cè)環(huán)形擴(kuò)展，匯合于圖2中A處平面起伏較大的臺(tái)階區(qū)域。斷口心部為最終斷裂區(qū)，心部的承載能力較低，裂紋擴(kuò)展時(shí)間短，在斷裂過(guò)程中塑性變形較大。

圖1 失效件斷裂部位Fig.1 Failure part

圖2 斷口宏觀形貌 Fig.2 Macro morphology of the fracture

1.2 斷口微觀形貌分析

對(duì)斷口進(jìn)行掃描電鏡觀察分析,斷口形貌如圖3所示。斷口裂紋源位置低倍形貌如圖3a所示，可觀察到明顯放射條紋，條紋收斂處裂紋源區(qū)主要為磨損形貌(圖3b)。斷口淬硬層區(qū)域主要為沿晶形貌，并觀察到裂紋源區(qū)域存在多條沿晶裂紋，裂紋形態(tài)如圖3c所示。圖3d、圖3e為斷口淬硬層區(qū)域臺(tái)階處斷口形貌，為磨損后的沿晶斷口。斷口心部終斷區(qū)呈河流狀花樣，為典型解理形貌(圖3f)。

1.3 化學(xué)成分分析

距失效件斷口3 mm處取樣，應(yīng)用火花直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，其分析結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，該失效件的化學(xué)成分符合技術(shù)要求。

1.4 非金屬夾雜物分析

垂直于斷面，沿軸線切割斷口，獲得縱向截面磨制拋光后檢測(cè)其非金屬夾雜物，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。結(jié)果表明，斷口附近除少量硫化物夾雜外，并無(wú)明顯缺陷，冶金質(zhì)量良好。

1.5 金相組織分析

在斷口裂紋源位置沿軸線縱向取樣，磨制拋光后用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液腐蝕，桿部感應(yīng)淬回火馬氏體組織按JB/T 9204—1999《鋼件感應(yīng)淬火金相檢驗(yàn)》評(píng)判為較細(xì)馬氏體4級(jí)，符合M3-M6技術(shù)要求(圖4a)。失效件心部組織為珠光體+鐵素體(圖4b)。在光學(xué)顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)在斷口裂紋源區(qū)域分布著較多微裂紋，其主要沿晶界擴(kuò)展，裂紋兩側(cè)未發(fā)現(xiàn)明顯氧化脫碳現(xiàn)象(圖4c)。

圖3 三柱槽殼的斷口微觀形貌Fig.3 Fracture morphology of the housing表1 三柱槽殼化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)Table 1 Chemical composition of the housing (mass fraction /%)

ItemCCrMnSiPSCuNiTestspecification0.52～0.57≤0.250.70～0.900.15～0.35≤0.035≤0.040≤0.25≤0.20Sample0.560.140.860.260.0050.0130.050.02

表2 三柱槽殼非金屬夾雜物分析結(jié)果Table 2 Non-metallic inclusion analysis results of the housing

圖4 桿部顯微組織Fig.4 Microstructure of the rod

1.6 硬度及淬硬層深度分析

對(duì)三柱槽殼桿部的表面硬度和淬硬層深度進(jìn)行檢測(cè)，斷口附近的表面硬度為HV 758(約HRC 62.5)，高于技術(shù)要求硬度上限值(HRC 62)，淬硬層深度為3.4 mm，符合技術(shù)要求2.5～5.0 mm。

1.7 殘余應(yīng)力分析

取同型號(hào)熱處理后未校直、20次校直和30次校直的三柱槽殼各3件，在斷口產(chǎn)生的相應(yīng)位置處進(jìn)行X射線表面殘余應(yīng)力測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表3。結(jié)果表明，三柱槽殼桿部表面校直前后均為壓應(yīng)力，校直后的試樣殘余應(yīng)力值大于未校直試樣，并且隨校直次數(shù)的增加試樣殘余應(yīng)力值呈升高趨勢(shì)[4-5]。

表3 表面軸向殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果Table 3 Testing results of surface axial residual stress MPa

2 分析與討論

三柱槽殼失效件的化學(xué)成分、非金屬夾雜物、金相組織和淬硬層深度均符合技術(shù)要求，但失效件表面硬度值高于技術(shù)要求。

綜合該失效件斷口的宏觀和微觀形貌分析，材料無(wú)原始裂紋和缺陷，在裂紋源附近淬硬層區(qū)域可觀察到多條沿晶裂紋，與金相組織中觀察到的結(jié)果一致。根據(jù)裂紋分布于淬硬層內(nèi)部、沿晶分布、無(wú)明顯氧化脫碳等特征及裂紋附近金相組織為較細(xì)馬氏體，判定該處裂紋不屬于淬火裂紋[6-8]。因此失效方式為沿晶開(kāi)裂萌生，然后在使用過(guò)程中裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，最后過(guò)載斷裂，呈脆性斷裂特征。

失效件桿部表面硬度值偏高，說(shuō)明其內(nèi)應(yīng)力和脆性較大[9]。內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生主要有兩方面：一是淬火過(guò)程中因馬氏體相變而引入以組織應(yīng)力為主的殘余應(yīng)力，桿部淬硬層區(qū)域表現(xiàn)為壓應(yīng)力[1]；二是校直工序中工件受校直應(yīng)力作用，與工件內(nèi)部相變引起的壓應(yīng)力相疊加，導(dǎo)致桿部殘余應(yīng)力升高，高應(yīng)力狀態(tài)下易于引發(fā)裂紋[10]。另外，校直過(guò)程中引入的外力，使得桿部局部產(chǎn)生變形，殘余應(yīng)力進(jìn)行重新分布，在使用過(guò)程中，殘余應(yīng)力處于松弛狀態(tài)，桿部的穩(wěn)定性和抗脆斷能力降低。

經(jīng)排查發(fā)現(xiàn)，工件熱處理過(guò)程中回火爐內(nèi)實(shí)際溫度偏低，爐內(nèi)實(shí)際溫度低于技術(shù)要求值約25 ℃，桿部回火不充分，存在較大殘余應(yīng)力[11-12]。進(jìn)而在校直工作應(yīng)力作用下，桿部?jī)?nèi)應(yīng)力增大，亞表面產(chǎn)生微裂紋，最終導(dǎo)致三柱槽殼桿部在使用過(guò)程中斷裂。

3 結(jié)論

1)三柱槽殼軸桿部表面硬度不符合技術(shù)要求，并且為脆性斷裂。

2)三柱槽殼軸桿部斷裂主要原因是熱處理工藝不當(dāng)，回火溫度偏低，工件回火不充分，內(nèi)部存在較大殘余應(yīng)力，降低了材料抗脆斷性能。進(jìn)而在校直工作應(yīng)力作用下，淬硬層內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力微裂紋，最終導(dǎo)致在使用過(guò)程中斷裂。因此要求采用溫度傳感器對(duì)回火溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制，保證工件獲得充分回火，減少或消除內(nèi)部殘余應(yīng)力。

3)三柱槽殼軸桿部殘余應(yīng)力值隨校直次數(shù)的增加而升高。因而建議改善校直工藝，對(duì)校直量過(guò)大和校直次數(shù)過(guò)多的工件進(jìn)行報(bào)廢處理，避免引起工件應(yīng)力開(kāi)裂。

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