汽车被动带轮轴断裂原因分析

王其荣+黄阳+林蔓+王坚

摘 要：文章通过对断裂失效件的汽车被动带轮轴外观检查，宏观及微观断口分析，确定被动带轮轴断裂性质为高周疲劳断裂。同时抽取完成长试的被动带轮轴与断裂失效件进行冶金质量、化学成分、微观组织及硬度对比分析，找到了导致被动带轮轴断裂的主要原因是螺纹底部存在明显尖角，致使工作过程中疲劳裂纹萌生并扩展。

关键词：被动带轮轴；应力集中；高周疲劳；断裂

引言

汽车被动带轮轴（以下简称失效件）工作过程中螺纹部位发生断裂，被动带轮轴材料20CrMnTiH，最终热处理状态为渗碳淬火+回火，渗碳时螺纹部位进行防渗处理，后经高频退火，硬度要求为320～450HV0.3。工作时带轮轴螺纹部位承受轴向拉应力。

1 冶金分析

1.1 外观检查

被动带轮轴断裂位于螺纹一侧，距轴颈端面约6mm，位于齿轮端一侧的第四道螺纹处（螺纹根部），断面与零件轴向基本垂直，局部放大观察，断裂部位存在轻微的轴向塑性变形，轴颈部位可见明显的周向的摩擦痕迹。见图1、图2。

1.2 断口分析

对被动带轮轴断裂部位进行断口分析：断面呈灰黑色，可见两个明显的平坦，平坦区占整个断面面积约95%，见图2。平坦区可见明显的疲劳弧线和放射棱线，由疲劳弧线收敛的方向判断，断裂均起始于螺纹根部表面，起始位置可见明显的疲劳台阶，未见冶金缺陷，呈线源特征。经扫描电镜观察，断口扩展区微观可见细密的疲劳条带，见图3。瞬断区为韧窝特征。

1.3 金相剖切检查

经金相剖切检查：失效件被动带轮轴螺纹根部可见明显的尖角（应力高度集中），长试件被动带轮轴螺纹根部圆滑过渡，见图4。零件脆性及塑性非金属夹杂均为0.5级。经腐蚀后观察：失效件、长试件螺纹处表面及心部组织基本一致，表面为渗层组织，心部为索氏体+大量贝氏体。

1.4 成分分析

经化学定量分析，失效件与长试件被动锥齿轮化学成分基本相当，均符合20CrMnTiH技术要求，结果见表1。

1.5 硬度检测

经显微硬度检查，失效件与长试件被动锥齿轮近表层硬度基本一致，均约为400HV0.3，均符合设计要求。心部硬度基本一致，均约为270HV0.3。

2 原因分析

2.1 断裂性质分析

经宏观及微观断口分析，失效件被动带轮轴断面宏观呈灰黑色，较平坦，可见明显的疲劳弧线和放射棱线，扩展区微观可见明显且细密的疲劳条带，分析认为该被动大轮轴断裂性质为疲劳断裂。由疲劳弧线收敛的方向判断，断裂均起始于螺纹根部表面，起始位置可见明显的疲劳台阶，呈线源特征，疲劳区约占整个断面的95%（瞬断区5%），该特征表明，疲劳起始过程承受的循环载荷相对较小，应力集中影响较大，为典型的高周疲劳断裂。

2.2 失效原因分析

通过冶金分析，失效件、长试件被动带轮轴螺纹部位均未见早期的机加及热处理缺陷，成分及表面硬度均符合設计要求。但失效件被动带轮轴螺纹根部可见明显的尖角（应力高度集中），长试件被动带轮轴螺纹根部过渡相对失效件较为圆滑。综合分析认为，失效件被动带轮轴断裂与其螺纹根部存在尖角，造成局部应力高度集中，工作过程中螺纹根部尖角部位疲劳裂纹萌生并扩展，最终导致被动锥齿轮轴断裂失效。

3 结论及建议

（1）失效件被动带轮轴断裂性质为高周疲劳断裂，疲劳起始于螺纹根部表面。

（2）建议加强被动带轮轴螺纹根部加工质量的控制，避免螺纹根部过渡区尖角现象。

参考文献

[1]张栋，钟培道，陶春虎，等.失效分析[M].北京：国防工业出版社，2004.