40Cr钢汽车半轴断裂失效分析_金林奎

标准要求， 但实测值大多在内控范围的下限， 如表 2 所示。
%） 表 1 失效半轴原材料化学成分 （ 质量分数， Table 1 Chemical composition of the raw material of the failed half shaft （ mass fraction，%）
元素 实测值 C 0． 402 Si 0． 231 0． 17 ～ 0． 37 Mn 0． 655 0． 50 ～ 0． 80 Cr 0． 962 0． 80 ～ 1． 10 S 0． 019
［ 1 ］ 花键断裂的主要原因， 并提出合理的改进措施 。
1
1． 1
试验分析与结果
化学成分及力学性能分析
从与该失效件所用材料同批次的原材料上 ， 截取 檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴 ［ J］ ． Tribology， 2004 ， 24 （ 3 ） ： 249252． Spec 5DP 标准要求。
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1． 2
断口分析 经宏观观察， 半轴失效件断口显示， 裂纹源产生在
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第 40 卷
图2 Fig． 2
失效半轴的断口形貌
（ a） 裂纹源； （ b） 硬化层； （ c，d） 心部
Fracture morphologies of the failed half shaft
（ a） crack source； （ b） hardened layer； （ c，d） core
参考文献：
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图 1 失效半轴（ a） 及断口宏观形貌（ b） Fig． 1 Failed half shaft（ a） and its macro fracture（ b）
裂棱形貌特征。心部调质处理的索氏体组织， 强度相 对较低， 韧性较好， 半轴中心断口处呈现明显的撕裂棱 及韧窝。由于心部的承载力较低， 裂纹扩展的时间较 短， 在断裂的过程中塑性变形较大， 心部产生较严重的 擦伤， 裂纹终断区的断口特征形貌难以辨别 ， 但是裂纹 扩展的整个路径已经很清晰， 见图 1 （ b） 。 用扫描电镜对断口进行检查， 见图 2 。 图 2 （ a ） 可 见， 在裂纹源附近可见大量放射状条纹 ， 放射状条纹的 收敛处， 明显指出裂纹源位于半轴杆部的表面。 工件 的表面有许多断续分布的大小不一的凹槽及剥落坑 ， 在裂纹源左侧有两块较大的并排分布的剥落坑 ， 剥落 坑的下面可见多源台阶条纹， 这种多源台阶条纹属于 应力集中的典型特征。 在放射状条纹的突起处， 明显 分布数量众多的颗粒状产物 （ 见图 2 （ b ） ） ， 这种细小
理—油封磨削加工—打标识—浸油包装。正火处理采 920 ℃ 保温3 h出炉风冷。调质处理 用高温台车炉加热， 850 ℃ 保温 2 h， 采用调质生产线加工， 淬入 5% 聚乙烯 醇溶液， 然后 620 ℃ 保温 2 h 出炉自来水冷却。采用中 频感应淬火机床， 对工件法兰根部、 杆部、 花键部位进行 ， 表面处理 保证工件表面硬度和各个部位的有效硬化层 深度要求。本文通过对断裂花键进行化学成分、 显微组 织、 宏微观断口分析及力学性能分析， 以期找到造成该
第 40 卷 2015 年
第2 期 2月
Vol. 40 No. 2
HEAT TＲEATMENT OF METALS
February 2015
40Cr 钢汽车半轴断裂失效分析
1 1 1 2 金林奎 ，赵建国 ，王春亮 ，万从贵
（ 1． 合肥市建元机械有限责任公司，安徽 合肥 230001 ； 2． 合肥美桥汽车传动及底盘系统有限公司 ，安徽 合肥 230001 ）
需承载较大的交变 汽车半轴是汽车主要传动部件， ， 。 应力 要求具有较高的强度和韧性 某汽车半轴在装配 线试车运行不到 10 km 就断为两截， 断裂的部位距花键 端部 150 mm， 断口较为齐平， 见图 1 所示。该汽车半轴选 用 40Cr 中碳合金结构钢， 进行调质热处理提高材料的强 韧性， 并且对工件表面进行中频感应加热淬火处理， 增加 表面的强度和压应力， 增强工件的抗疲劳性能。具体工 艺流程为： 圆钢下料—花键及法兰部位锻造—高温正 火—调质处理—压床校直—杆部及花键中频感应淬火处
P
尺 寸 为 25 mm × 25 mm × 15 mm 的 试 样， 采用 Labspark5000 精 密 直 读 火 花 光 谱 仪 测 量 其 化 学 成 其结果如表 1 所示， 分 ， 表明原材料化学成分符合 GB / T 3077 —1999《合金结构钢 》 标准要求。 在原材料
［3 ］ 上截取并制成标准试样， 进行力学性能试验 。 试验 结果表明， 原材料的力学性能符合 GB / T 3077 —1999 ［2 ］
第2 期
金林奎， 等： 40Cr 钢汽车半轴断裂失效分析
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断口的右侧外边缘， 从裂纹源处开始呈放射状向前扩 展。主裂纹的扩展， 首先在中频感应淬硬层区域内进 行。开始以放射状的形态向前延伸， 然后沿人字纹向 上下两侧环形推进， 至断口下部汇合， 汇合的部位可见 白亮色的三角形平坦终断区。沿人字纹环形开裂的过 程中， 至左侧外边缘有一段宽度不到 1 mm、 长度约1 /3 周长的瞬间开裂终断区。 裂纹扩展的特征转变， 也由 平面应变状态转向为平面应力状态。 图 1 所示， 失效 件断口左侧外边缘， 可见呈 45° 角的狭长的终断区剪 ［4 ］ 切唇 。主裂纹终止于淬硬层过渡区。 二次开裂的 裂纹源， 位于主裂纹延伸的尾部， 即淬硬层过渡区附 。 ， 近 随着断口的面积缩小 少许外加应力就可触发二 次裂纹的萌生和扩展。首先形成环形的应力集中多源 台阶， 然后沿环形多源台阶向心部调质区继续扩展 。 由于淬硬层过渡区的感应加热温度影响， 硬度很低且 韧性非常高， 在多源台阶附近形成明显的韧性变形撕
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的颗粒状产物， 经检测确认为 A 类非金属夹杂物， 属 ［5 ］ 于典型的硫化物夹杂 。 在淬硬层内的断口上， 扫描 电镜观察的断口微观形态， 大部分区域呈准解理的特 征形貌， 以及局部脆性沿晶和少量韧性撕裂棱的断口 形貌。断口处分布较多的颗粒状及断截面的条状硫化 物， 脆性沿晶断口大多集中在断截面的条状硫化物附 近。心部调质区域的断口检查， 扫描电镜观察结果显 示为韧性断裂， 图片显示以韧窝及撕裂棱的特征形貌 为主（ 见图 2 （ c ） ） 。 在韧窝的底部同样存在颗粒状及 条状硫化物夹杂。在断口的中心部位， 可见明显的韧 性撕裂的擦伤痕迹（ 见图 2 （ d） ） 。 1． 3 显微组织分析 试样 外 圆 表 面 凹 凸 不 平， 而且氧化脱碳较严重 （ 见图 3 （ a ） ） 。 经 金 相 显 微 镜 测 量， 表面脱碳层为
2 ） 此次双台肩钻杆接头产生纵向开裂失效的主 要原因是在钻井过程中的造斜段发生卡钻 ， 在解卡过 程中， 接头承受的拉伸、 扭转及弯曲等复合载荷过大， 产生过高的环向应力， 而双台肩接头连接形式限制了 环向应力的释放， 使得接头在螺纹表面的“白亮层 ” 附 近区域萌生裂纹， 最终导致接头纵向开裂失效。 3 ） 建议在上述井况下， 采用超高抗扭双台肩接头， ， 减小接头螺纹的锥度 增大接头副台肩面承载面积， 提 高接头的抗扭强度， 以有效避免类似事故的发生。
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Failure analysis on 40Cr steel automobile half shaft
Jin Linkui1 ，Zhao Jianguo1 ，Wang Chunliang1 ，Wan Conggui2 （ 1． Hefei Jianyuan Machinery Co． ，Ltd． ，Hefei Anhui 230001 ，China； 2． Hefei Bridge Automobile Transmission and Chassis Systems Co． ，Ltd． ，Hefei Anhui 230001 ，China） 中图分类号： TG142． 41 文献标志码： B 文章编号： 0254-6051 （ 2015 ） 02-0220-04
收稿日期： 2014-06-10 作者简介： 金林奎（ 1966 —） ， 从事材料质量检测工作， 男， 高级工程师， Email： jinlinkui@ foxmail． com 联系电话： 13625177980 ， doi： 10． 13251 / j． issn． 02546051． 2015． 02． 049
GB / T 3077 — 0． 37 ～ 1999 0． 45
≤0． 035 ≤0． 035
表 2 失效半轴原材料的力学性能 Table 2 Mechanical properties of the raw material of the failed half shaft
性能指标 实测值 GB / T 3077 —1999 σ b / MPa 1010 ≥980 σ s / MPa 910 ≥785 δ /% 12 ≥9 ψ /% 50 ≥45 AK / J 51 ≥47