汽车驱动半轴延迟断裂失效分析

　　某汽车车型驱动半轴发生多起0km 断裂事件，驱动半轴总成装配后在静置阶段发生延迟断裂，断裂部位为花键处。驱动半轴材料为55#，其主要生产制造工艺过程为:温镦→调质处理→机加工→表面中频淬火→低温回火(180~200℃，3h)。由于驱动半轴在汽车传动结构中的动力传输中起到至关重要的作用，运转中的受力情况非常复杂，承受着弯曲、扭转和压缩等载荷的作用，易产生扭转和弯曲变形甚至产生裂纹或发生断裂。且一旦发生失效，往往会造成严重后果，引起其他重要汽车零部件的毁损，进而引发严重的交通事故。因此，本文通过对该延迟断裂汽车驱动半轴的失效分析研究，提出该质量事故的有效整改方案，以杜绝类似事故发生。

　　汽车驱动半轴装配关系见图1。

　　结合半轴图纸技术要求，半轴强度校核计算条件为:

　　驱动半轴的屈服强度最小为500 MPa(181 kN)。驱动半轴安装螺母的装配扭矩为:350~370N·m(实测屈服、抗拉载荷分别为:303kN、334kN，屈服、抗拉强度为837MPa、920MPa，屈服点在轴颈)。

　　允许的最大预紧力是以螺纹部分的复合应力达到屈服强度的90%计算。

　　根据表1 汽车驱动半轴总成装配工艺下轴力校核结果，可知:

　　(1) 螺纹部分。在安装扭矩下是安全的，当摩擦系数为0.06 时，安装扭矩在350 ~ 370 N·m 时，轴的预紧力是在螺纹允许的范围内。

　　(2) 驱动半轴的轴颈部分。在安装扭矩下是安全的，当摩擦系数为0.06 时，最大拉应力为498 MPa，也是安全的。

　　(3) 花键部分。理论上不是受拉应力最大的部位，所以不应该是拉伸破坏最薄弱的地方，但随着拉伸载荷的增大，将增加脆性延迟断裂的风险。

　　2. 1 汽车驱动半轴材质检验

　　对汽车驱动半轴表面和芯部进行检测，其材料分析结果见表2，硬化层检测结果见图2。国家汽车行业标准QC/T 294 要求半轴的表面淬硬层硬度≥HRC52，心部硬度HRC 24-HRC 30，淬硬层厚度为轴径的10% ~ 15%。

　　从以上检测结果表明:汽车驱动半轴化学成分符合GB/T 599 所规定的55 #，心部硬度低于QC/T 294 标准要求24-30HRC。

　　2. 2 宏观断口分析

　　汽车驱动半轴断裂处无明显塑性变形特征，断口平整，断口宏观特征如图3，Ⅰ区为裂纹起始区，Ⅱ区为裂纹扩展区，Ⅲ区为瞬断区。驱动半轴金相组织要求为:预调质处理后表面中频淬火处理，硬化层为回火马氏体，芯部为回火索氏体；正火处理后表面中频淬火处理，硬化层为回火马氏体，芯部为珠光体 铁素体。

　　通过SEM 扫描断口可见:裂纹起始区主要以沿晶断裂为主，具有85% 沿晶断裂；10% 穿晶断裂；5%韧窝，在晶界间出现大量的二次裂纹，充分说明该零件在加工过程中残留有非常大的加工内应力，此应力未得到有效回火消除；在晶界处有黑色碳化物稀出；表明半轴在加工过程中，可能有过热现象，轴芯部断口呈韧窝特征，以解理特征为主。

　　在断口附近截取金相试样，用4%硝酸酒精腐蚀后观察，边缘为回火较粗马氏体组织(见图4)，芯部为珠光体 网状铁素体(见图5)。

　　从金相图谱可见:表面硬化层金相组织为较粗马氏体；半轴芯部为珠光体 网状铁素体。半轴硬化层、芯部金相组织与晶界处有黑色碳化物稀出，这一现象共同表明了汽车用驱动半轴在加工过程中具有过热、回火不充分等缺陷。此缺陷在受到静外载时，极容易发生延迟断裂。

　　汽车驱动半轴材料的组织决定了其机械力学性能，而力学性能与承受的外载类型、大小又共同决定了半轴的失效模式及失效特征，因此，汽车驱动半轴断口出现的沿晶脆性断裂、晶界间出现二次裂纹、晶界间氧化物产生、硬化层马氏体粗大、芯部硬度不足，说明了驱动半轴加工中具有过热、芯部未淬透性、回火不充分等缺陷，也反应了汽车驱动半轴材料的加工工艺不适合采用55#。

　　导致此汽车驱动半轴失效的主要原因有:驱动半轴采用的55#在加工过程中具有过热现象，并且在热加工后该材料内应力未得到有效消除，导致具有较高的脆性断裂风险，当半轴在受到一定的外载时，由于半轴在硬化层内外应力结合导致晶界发生位错，裂纹产生并扩展，从而爆发延迟断裂事故，对于此类事故建议采取以下有效措施。

　　(1) 在汽车驱动半轴连接总成的设计中控制通过接头试验，锁定相关零件的摩擦系数，并采用弹性区扭矩转角法安装工艺，控制轴向力的大小及其离散度；

　　(2) 对于汽车用驱动半轴材料要采用优质合金结构钢，尤其是含钼元素的合金结构钢，有助于晶粒度的细化，提高淬透性和热强性，抑制淬火脆性，同时，要求控制氧含量小于等于20PPm；

　　(3) 对于汽车用驱动半轴材料要控制钢材中碳偏析及低倍组织，并要求汽车用驱动半轴材料进行热顶锻试验，要求试验后无裂纹。

信息来源：期刊—技术导向

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