王其榮+黃陽+林蔓+王堅
摘 要:文章通過對斷裂失效件的汽車被動帶輪軸外觀檢查,宏觀及微觀斷口分析,確定被動帶輪軸斷裂性質為高周疲勞斷裂。同時抽取完成長試的被動帶輪軸與斷裂失效件進行冶金質量、化學成分、微觀組織及硬度對比分析,找到了導致被動帶輪軸斷裂的主要原因是螺紋底部存在明顯尖角,致使工作過程中疲勞裂紋萌生并擴展。
關鍵詞:被動帶輪軸;應力集中;高周疲勞;斷裂
引言
汽車被動帶輪軸(以下簡稱失效件)工作過程中螺紋部位發生斷裂,被動帶輪軸材料20CrMnTiH,最終熱處理狀態為滲碳淬火+回火,滲碳時螺紋部位進行防滲處理,后經高頻退火,硬度要求為320~450HV0.3。工作時帶輪軸螺紋部位承受軸向拉應力。
1 冶金分析
1.1 外觀檢查
被動帶輪軸斷裂位于螺紋一側,距軸頸端面約6mm,位于齒輪端一側的第四道螺紋處(螺紋根部),斷面與零件軸向基本垂直,局部放大觀察,斷裂部位存在輕微的軸向塑性變形,軸頸部位可見明顯的周向的摩擦痕跡。見圖1、圖2。
1.2 斷口分析
對被動帶輪軸斷裂部位進行斷口分析:斷面呈灰黑色,可見兩個明顯的平坦,平坦區占整個斷面面積約95%,見圖2。平坦區可見明顯的疲勞弧線和放射棱線,由疲勞弧線收斂的方向判斷,斷裂均起始于螺紋根部表面,起始位置可見明顯的疲勞臺階,未見冶金缺陷,呈線源特征。經掃描電鏡觀察,斷口擴展區微觀可見細密的疲勞條帶,見圖3。瞬斷區為韌窩特征。
1.3 金相剖切檢查
經金相剖切檢查:失效件被動帶輪軸螺紋根部可見明顯的尖角(應力高度集中),長試件被動帶輪軸螺紋根部圓滑過渡,見圖4。零件脆性及塑性非金屬夾雜均為0.5級。經腐蝕后觀察:失效件、長試件螺紋處表面及心部組織基本一致,表面為滲層組織,心部為索氏體+大量貝氏體。
1.4 成分分析
經化學定量分析,失效件與長試件被動錐齒輪化學成分基本相當,均符合20CrMnTiH技術要求,結果見表1。
1.5 硬度檢測
經顯微硬度檢查,失效件與長試件被動錐齒輪近表層硬度基本一致,均約為400HV0.3,均符合設計要求。心部硬度基本一致,均約為270HV0.3。
2 原因分析
2.1 斷裂性質分析
經宏觀及微觀斷口分析,失效件被動帶輪軸斷面宏觀呈灰黑色,較平坦,可見明顯的疲勞弧線和放射棱線,擴展區微觀可見明顯且細密的疲勞條帶,分析認為該被動大輪軸斷裂性質為疲勞斷裂。由疲勞弧線收斂的方向判斷,斷裂均起始于螺紋根部表面,起始位置可見明顯的疲勞臺階,呈線源特征,疲勞區約占整個斷面的95%(瞬斷區5%),該特征表明,疲勞起始過程承受的循環載荷相對較小,應力集中影響較大,為典型的高周疲勞斷裂。
2.2 失效原因分析
通過冶金分析,失效件、長試件被動帶輪軸螺紋部位均未見早期的機加及熱處理缺陷,成分及表面硬度均符合設計要求。但失效件被動帶輪軸螺紋根部可見明顯的尖角(應力高度集中),長試件被動帶輪軸螺紋根部過渡相對失效件較為圓滑。綜合分析認為,失效件被動帶輪軸斷裂與其螺紋根部存在尖角,造成局部應力高度集中,工作過程中螺紋根部尖角部位疲勞裂紋萌生并擴展,最終導致被動錐齒輪軸斷裂失效。
3 結論及建議
(1)失效件被動帶輪軸斷裂性質為高周疲勞斷裂,疲勞起始于螺紋根部表面。
(2)建議加強被動帶輪軸螺紋根部加工質量的控制,避免螺紋根部過渡區尖角現象。
參考文獻
[1]張棟,鐘培道,陶春虎,等.失效分析[M].北京:國防工業出版社,2004.