黄丽荣1，汤宏智2
(1.沈阳职业技术学院机械装备系，辽宁沈阳110045;2.沈阳华晨金杯汽车有限公司，辽宁沈阳110044)
摘 要：通过宏观分析、显微组织和断口形貌观察以及硬度测试等方法对40Cr钢汽车半轴的断裂原因进行了分析。结果表明：汽车半轴断裂的主要原因是半轴凸缘与杆连接的轴台阶处表面存在脱碳层，在高的扭转疲劳剪切应力作用下形成裂纹源;40Cr钢含有较多的大尺寸非金属夹杂物，另外热处理工艺不当，造成材料综合力学性能达不到要求，使表面萌生的裂纹在应力作用下迅速扩展，造成汽车半轴发生疲劳断裂。
关键词：汽车半轴；断裂;40Cr钢；失效分析
中图分类号:T G142.41 文献标志码:B 文章编号:100023738(2009)0520073203
F ailure Analysis of40Cr Steel Automobile Semi2axle
HUANG Li2rong1,TANG H ong2zhi2
(1.Shenyang Polytechnic College,Shenyang110045,China;
2.Shenyang Brilliance Jinbei Automobile Co.,Ltd,Shenyang110044,China)
Abstract:Using macro analysis,the observation of microstructure and fracture morphology and hardness testing,the failure analysis of breaking of40Cr steel automobile semi2axle was analyzed.The results show that the crack was mainly caused of the decarburized layer on the surface of axial bench connected half shaft flange and rod, the crack initiation was formed under the high torsion fatigue shearing stress.The40Cr steel contained more non2 metallic inclusions,and its mechanical properties could not reach the request as the improper heat treatment process.
The fatigue crack formed on the surface extended rapidly under the stress,which resulted in the fatigue f racture.
K ey w ords:automobile semi2axle;f racture;40Cr steel;failure analysis
0 引 言
2008年6月，沈阳某公司生产的一台面包车在正常行驶256km后，汽车半轴发生断裂，在随后较短的时间内，又有两起类似事故发生，半轴的宏观断裂特征基本相同，于是公司立即对该批次生产的半轴进行封存和更换。断裂汽车半轴的材料为40Cr 钢，直径为48mm，加工过程为锻造→正火→粗加工→调质→
精车、钻孔、制齿键→中频淬火、回火→磨削→探伤。为防止断裂事故再次发生，到汽车半轴的断裂原因，作者对其进行了失效分析。
1 理化检验及结果
1.1 断裂宏观形貌
断裂汽车半轴在凸缘与杆连接的轴台阶转角收稿日期:2008207226；修订日期:2009203213
作者简介：黄丽荣(1955-)，女，辽宁沈阳人，副教授，高级工程师，学士。处起裂，并向内扩展至轴的中心部位最后断裂，其宏观形貌见图1。断口形貌见图2，可见整个断口呈斜坡状，未见明显塑性变形，断面颜为暗灰，根据断面形貌特征可将其分为两部分，靠近断裂源的断面较平整，宏观可见明显的贝纹线，具有疲劳断裂特征，为裂纹扩展区；其余断面呈纤维状，凹凸变化较大，具有塑性断裂特征，为最后的瞬断区。
1.2 显微组织
在断裂半轴的断裂源附近取金相试样，镶嵌、磨抛后用Philip s扫描电镜(SEM)进行夹杂物观察。由图3可知，断口表面处存在较多的非金属夹杂物，主要有A类条状硫化物夹杂和D类球状氧化物夹杂。不仅夹杂物的数量较多，而且尺寸也较大，其中球状氧化物夹杂直径可达到约20μm，而条状硫化物夹杂的长
度可达到约50μm。放大后对夹杂物形貌进一步观察，可发现较大的球形夹杂物为核壳结构；而较大的条形硫化物夹杂的宽度约为2.5
μm,
・
3
7
・
第33卷第5期2009年5月
机 械 工 程 材 料
Materials for Mechanical Engineering
Vol.33 No.5
May 2009
图1 断裂汽车半轴的宏观形貌
Fig.1 Macromorphology of the fractured automobile axle
两侧边缘存在黑的包裹层(氧化层)。用扫描电镜附带的EDAX 能谱仪对夹杂物成分进行能谱分析,
结果见表1，可见球形夹杂物的核、壳均为复合氧化物夹杂，其成分与冶炼炉渣相近，可能是由上铸法浇注时炉渣易于混入钢液中，因小铸锭的凝固较快，没有足够的时间使其浮出而残留下来的。而条状硫化物主要为硫化铁和硫化锰，主要由钢材在轧制时发生变形所致
。
图2 断口宏观形貌
Fig.2 Macromorphology of the fracture surface
将抛光后的试样用4%硝酸酒精溶液腐蚀后进行显微组织观察，由图4可见，汽车半轴断裂源附近表面的显微组织为粗大的回火马氏体，马氏体针长为10～15μm ，说明中频感应淬火温度相对较高；在凸缘与杆连接的轴台阶处存在明显的表面脱碳层，深度为6～8μm ，在表面脱碳层中发现有多个表面裂纹源，裂纹先沿表面扩展，然后转向垂直于表面生长，如图5所示
。
(a) 断口表面夹杂物(b) 球状氧化物夹杂(c) 条状MnS 夹杂物
图3 断口表面夹杂物形貌
Fig.3 The inclusion morphologies of the fracture surface
(a) F racture surface inclusion (b) R ound oxide inclusion (c) B ar MnS inclusion
表1 非金属夹杂物能谱分析结果(原子分数)
T ab.1 E DS analysis results of the non 2metallic inclusion (atom fraction)
%
分析位置O Mg Al Si S Ca Cr Mn Fe 球状氧化物核
37.210.621.510.6-19.2---球状氧化物壳21.535.516.9 5.2-12.6--8.3条状硫化物中心7.9---35.5--33.822.9条状硫化物两侧
7.5
--- 6.2
- 1.6
4.2
80.6
1.3 断口形貌由图6可见裂纹源处的断口呈典型的脆性断裂特征，没有观察到具有塑性特征的韧窝。在凸缘与杆连接的轴台阶处表面存在多处裂纹源，裂纹口有小碎块，显示出材料较大的脆性，且呈沿晶开裂，见图7。
1.4 硬度分布
由图8可以看见，断裂半轴近表面处(2mm )的硬度为56.6HRC ，距表面5mm 处的硬度增加到61.2HRC ，比设计图纸的要求(53～58HRC )明显偏高。这可能是因为回火时间过短所致。半轴心部的硬度为27.3～31.3HRC ，比设计图纸要求(24～
・
47・
图4 表面脱碳层的SEM 形貌
Fig.4 SEM morphology of decarburized
layer
图5 表面裂纹源的SEM 形貌
Fig.5 SEM morphology of crack initiation on the
surface
图6 断裂半轴断口的SEM 形貌
Fig.6 SEM morphology of fracture of the
axle
图7 断裂半轴表面的SEM 形貌
Fig.7 SEM morphology of fracture of the axle
30HRC )略高，一般金属材料的硬度越高，其塑性就
越差。由图8还可以看出，断裂半轴的硬化层深度大于10mm ，断裂半轴表面处的硬度低于次表面处的,
进一步说明了凸缘与杆连接的轴台阶处存在脱
图8 断裂汽车半轴截面的硬度分布
Fig.8 T h e h ard ness distribu tion in th e section p lane of b reaking axle
碳现象。
2 断裂原因分析
断裂半轴材料本身质量较差，存在较多的大尺寸非金属夹杂物，一方面会降低钢的疲劳性能，另一
方面还会降低钢的韧性和塑性。由于非金属夹杂物以机械混合物的形式存在于钢基体中，其性能又与钢基体有很大的差异，因此破坏了钢基体的均匀性、连续性，还会在该处造成应力集中，成为疲劳源。在外力作用下，通常沿着夹杂物与其周围金属基体的界面开裂，形成疲劳裂纹；当夹杂物聚集分布，且尺寸较大、数量较多时，会进一步加速疲劳裂纹的扩展；而当夹杂物处于零件表面或高应力区时，其危害最严重。因此断裂半轴的断裂源附近存在着较多的大尺寸夹杂物，严重损害了半轴的疲劳性能，加速了疲劳裂纹的扩展，是半轴发生早期疲劳断裂的一个重要原因。
汽车半轴进行最终表面淬火时，在半轴凸缘与杆连接的轴台阶处存在感应电流集中，局部加热温度偏高，引起晶粒粗大，淬火深度过大；进行回火时间不充分，材料内部温度偏低，造成材料内部硬度偏高，塑性、韧度偏低。对于这种高强度轴类零件，盲目增加淬火硬度和深度，会导致材料的脆性过高，在使用过程中易发生早期开裂。
汽车半轴在调质处理后进行精加工时，半轴凸缘与杆连接的轴台阶处的加工余量过小，致使钢材表面脱碳层没有被完全加工掉；汽车半轴是汽车驱动桥的关键零件，承受着弯曲、扭转、冲击等载荷，在半轴凸缘与杆连接的轴台阶处具有很大的扭转疲劳剪切应力[1]。一旦表面存在脱碳层，由于它的强度低，且松弛了表面残余压应力，在高的扭转疲劳剪切应力作用下，就很容易萌生疲劳裂纹，加之汽车半轴材料质量较差，含有较多大尺寸的非金属夹杂物，同
(下转第79页)
结果和晶粒形貌的结果一致。而磁场的加入对锡锌铜合金液/铜片的反应产物取向度的影响不是很明显，这可能是由于在本试验中所采用的稳恒磁场的强度较低所致。但磁场对界面晶粒取向度影响的机理，还有待于在强度高的磁场中进一步研究验证
。
图4 锡锌合金液/铜片和锡锌铜合金液/铜片在280℃反应
780s 后界面IMC 层的XR D 谱
Fig.4 XR D p atterns of interfacial IMC layers of Sn 2Z n alloy
liquid /Cu plate and Sn 2Z n 2Cu alloy liquid/Cu plate
reacted at 280℃for 780s
表1 Cu 5Z n 8(330)的取向度
T ab.1 Orientation degree with (330)of Cu 5Z n 8磁场
锡锌合金液/铜片
锡锌铜合金液/铜片
0T 1.010.930.1T
0.92
0.90
3 结 论
(1)锡锌合金液/铜片界面IMC 层比锡锌铜合
华晨汽车金液/铜片的厚；施加0.1T 低稳恒磁场降低了界面
IMC 的生长速度，进而减小了界面IMC 层的厚度。
(2)铜的加入使IMC 颗粒由锡锌合金液时的片层状转变为颗粒状；施加0.1T 磁场，使生成的IMC 颗粒更加细小、致密。
(3) 铜的加入使锡锌合金中Cu 5Zn 8(330)峰强
度减弱；而0.1T 磁场下，磁场抑制了锡锌合金液/铜片界面处Cu 5Zn 8(330)的取向度，而对锡锌铜合金液/铜片界面处Cu 5Zn 8(330)的取向度影响不是很明显。
参考文献:
[1] L I Xi ,FAU TRELL E Y ,REN Zhong 2ming.Influence of t her 2
moelectric effect s on t he solid 2liquid interface shape and cellu 2lar morphology in t he mushy zone during t he directional solidi 2fication of Al 2Cu alloys under a magnetic field [J ].Acta Materialia ,2007,55:380323813.
[2] L IU Xiao 2tao ,CU I Jian 2zhong ,GUO Yan 2hui ,et al .Phase
formation and growt h in Al 2Mg couple wit h an electromagnetic field[J ].Materials Letters ,2004,58:152021523.
[3] CHOI W K ,L EE H M.Prediction of primary intermetallic
compound formation during interfacial reaction between Sn 2based solder and Ni substrate [J ].Scripta Materialia ,2002,46(11):7712781.
[4] ZHAO Jie ,YAN G Peng ,ZHU Feng ,et al .The effect of high
magnetic field on t he growt h behavior of Sn 23Ag 20.5Cu/Cu IMC layer[J ].Scripta Materialia ,2005,54:107721080.[5] MULU GET A A ,GUNA S.Lead 2free solders in microelectronics
[J ].Materials Science and Engineering ,2000,27:952141.
[6] VA YNAMAN S ,FIN E M E.Development of fluxes for lead 2
free solders containing zinc [J ].Scripta Materiala ,1999,41:126921271.
[7] KIM H K ,TU K N.K inetic analysis of t he soldering reaction
between eutectic SnPb alloy and Cu[J ].Phys Rev B ,1996,53:16027216034.
[8] SCHA EFER M ,FOU RN ELL R A ,EL ECTRO J.Theory for
intermetallic phase growt h between Cu and liquid Sn 2Pb solder based on grain boundary diffusion control[J ].Mater ,1998,27:116721176.
[9] LAU RIL A T ,VUORIN EN V ,KIV ILA H TI J K.Interfacial
reactions between lead 2free solders and common base materials [J ].Mater Sci Eng ,2005,49:1260.
[10] 温艳玲，钟云波，任忠鸣.强磁场对电沉积镍铁合金膜显微组
织的影响[J ].中国有金属学报,2006,16(4):7152721.
[11] MA TSUSHIMA H ,NO HIRA T ,MO GI I ,et al .Effect s of
magnetic fields on iron eletrodeposition[J ].Surface and Coat 2ings Technology ,2004,179:2452241.
(上接第75页)
时表层针状马氏体组织粗大，使表面萌生的疲劳裂纹迅速扩展，导致汽车半轴发生断裂。
3 结 论
汽车半轴断裂的主要原因是半轴凸缘与杆连接的轴台阶处表面存在脱碳层，在高的扭转疲劳剪应力作用下形成裂纹源;40Cr 钢中含有较多的大尺寸
非金属夹杂物，中频感应淬火温度偏高且回火不足，使材料的综合力学性能较差，加速了疲劳裂纹的扩展，使表面萌生的疲劳裂纹在扭转疲劳剪应力作用下迅速扩展，并引起汽车半轴的早期疲劳断裂。
参考文献:
[1] 张玉庭.热处理技师手册[M ].北京：机械工业出版社,2007:
5332540.
徐洋，等：低稳恒磁场对锡锌基合金液与铜片界面反应的影响
发布评论