傳動(dòng)軸端面齒突緣叉斷裂失效分析

陳政文 宋穎

漢陽專用汽車研究所 湖北武漢 430056

1 前言

端面齒突緣叉是傳動(dòng)軸的關(guān)鍵零部件。端面突緣叉工作時(shí)承受較大的動(dòng)載荷，受到扭轉(zhuǎn)、彎曲等作用，因此要求零件表面具有較高的硬度、耐磨性和良好的抗疲勞性能，芯部又能保持一定的塑韌性，故材料一般選用中碳鋼，經(jīng)過模鍛、淬火、高溫回火（即調(diào)質(zhì)）、車、拉、鉗、銑、鏜等工序加工而成。

由于端面齒突緣叉幾何形狀復(fù)雜，工作條件苛刻，常因熱處理工藝環(huán)節(jié)控制不良導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)缺陷。某半掛汽車列車在運(yùn)輸貨物途中，端面齒突緣叉發(fā)生斷裂（見圖1），導(dǎo)致傳動(dòng)軸脫落，造成車輛發(fā)生事故。為查清端面齒突緣叉斷裂失效原因，避免類似事故的發(fā)生，下面對(duì)端面齒突緣叉進(jìn)行失效分析。

2 失效分析

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與材料有關(guān)的汽車零部件失效有斷裂、磨損、變形、腐蝕等形式，筆者通過對(duì)傳動(dòng)軸端面齒突緣叉工作狀態(tài)、斷裂形式進(jìn)行分析后，考慮從材料和工藝方面著手進(jìn)行失效分析，分析過程如下。

2.1 零部件外部觀察分析

a.對(duì)失效件進(jìn)行宏觀肉眼觀察，觀察零部件整體外觀形貌及破壞部位，并對(duì)觀察結(jié)果進(jìn)行拍照記錄；

b.確定破壞形式后對(duì)斷口進(jìn)行微觀檢查，利用放大鏡、光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡等工具進(jìn)行斷口形貌特征觀察，如斷口處有銹跡、油漆等污染物，可用烯酸、有機(jī)溶劑等清潔后進(jìn)一步觀察斷口形貌特征。

2.2 零部件受力分析

a.找到零部件工作部位，分析它所受外力特征，如拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)等，判斷工作時(shí)受力狀態(tài)，分析約束形式對(duì)受力是否存在影響；

b.通過對(duì)零部件進(jìn)行受力分析，運(yùn)用理論計(jì)算，對(duì)零部件材料在復(fù)雜應(yīng)力條件下的強(qiáng)度進(jìn)行校核。

2.3 零部件材料分析

a.材料化學(xué)成分分析；

b.材料的金相檢測（熱處理、晶粒尺寸、脫碳等）、非金屬夾雜物檢測、非破壞性檢測（內(nèi)部裂紋、材料缺陷等）；

c.力學(xué)性能檢測包括強(qiáng)度試驗(yàn)（拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)等）、硬度分析、疲勞韌性等；

d.微觀斷口形貌分析（通過掃描電鏡、白光三維成像儀等）。

3 檢驗(yàn)與結(jié)果

3.1 化學(xué)成分分析

對(duì)端面齒突緣叉進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）

由表1可見，端面齒突緣叉材料的化學(xué)成分符合GB/T 699-2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)中45#鋼的技術(shù)要求，滿足設(shè)計(jì)要求的45#鋼材料。

3.2 硬度檢測

對(duì)端面齒突緣叉表面和芯部按照GB/T 230.1-2009《金屬材料 洛氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法(A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T標(biāo)尺）》標(biāo)準(zhǔn)檢測其洛氏硬度，結(jié)果見表2。

表2 硬度測試結(jié)果（HRC）

由表2可見，端面齒突緣叉芯部硬度符合工藝HRC22-28的硬度要求，表面硬度不符合工藝HRC22-28的硬度要求。

3.3 低倍組織觀測

對(duì)端面齒突緣叉進(jìn)行剖切，依據(jù)GB/T 226-2015《鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗(yàn)法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測，結(jié)果見圖2。

圖2 低倍組織

從圖中可以看出，低倍組織無鍛造流線（鍛造紋路）。

3.4 金相分析

對(duì)端面齒突緣叉斷裂處取樣進(jìn)行金相檢測，結(jié)果為靠近表面組織為回火索氏體（見圖3），芯部組織為珠光體加針狀的鐵素體（見圖4），并存在2級(jí)魏氏組織（見圖5），完全脫碳層為0，部分脫碳層深度為0.19 mm，總脫碳層深度為0.19 mm（見圖6）。

圖3 靠近表面組織 500×

圖4 芯部組織 500×

圖5 魏氏組織 100×

圖6 脫碳 100×

4 分析與討論

a.根據(jù)化學(xué)成分分析，端面齒突緣叉的化學(xué)成分符合GB/T 699-2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)中45#鋼的技術(shù)要求，與設(shè)計(jì)要求的45#鋼材料相符；

b.從硬度檢測結(jié)果可知，芯部硬度（HRC）滿足工藝要求，表面硬度（HRC）不滿足工藝要求，說明端面齒突緣叉芯部硬，表面軟，在受到扭轉(zhuǎn)載荷時(shí)，表面易發(fā)生疲勞斷裂；

c.從金相組織結(jié)果可知，存在2級(jí)魏氏組織，這是由于鍛造過程中加熱溫度過高，冷卻速度過快，直接導(dǎo)致材料的塑性和韌性降低，材料的脆性增加。零部件存在0.19 mm的脫碳層，這是由于熱處理爐密封性不滿足工藝要求，且未采取添加脫碳液等防脫碳措施所致，直接導(dǎo)致鍛件表面變軟（與硬度檢測結(jié)果相吻合），強(qiáng)度和耐磨性下降，進(jìn)而使得疲勞強(qiáng)度降低，過早發(fā)生疲勞斷裂；

d. 從低倍組織看出，鍛件無鍛造流線（鍛件紋路），說明鍛件鍛造過程不充分，不滿足工藝要求。5 結(jié)語

該傳動(dòng)軸端面齒突緣叉斷裂為早期疲勞斷裂，其主要原因是熱處理工藝不當(dāng)，加熱溫度過高、冷卻速度過快，加熱爐密封性達(dá)不到要求、未采取添加防脫碳液等防脫碳措施以及鍛造過程不充分等綜合原因所致。

為了避免該類型傳動(dòng)軸端面齒突緣叉發(fā)生早期疲勞斷裂的情況再次發(fā)生，應(yīng)合理制定模鍛工藝，提高加熱爐密封性或添加防脫碳液，科學(xué)控制加熱溫度和冷卻速度。