变速器中间轴断裂原因分析

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变速器中间轴断裂原因分析

作者：广东工业大学 卢国辉 揭晓华 黄惠平 王桂棠

摘要：采用扫描电镜和常规检验方法，对客车变速器中间轴的断裂原因进行了分析。结果表明，中间轴断裂疲劳源起源于键槽尖角和表面粗糙的刀痕，而原材料冶金质量不良和粗大的奥氏体晶粒则加速了疲劳断裂过程。 关键词：中间轴；疲劳断裂；失效分析 某企业生产大型客车变速器里面的中间轴在客车行程1～5万公里时就出现断裂而报废，报废率近10%。通常汽车行驶10万公里保修，所以该轴使用寿命应在客车行驶10万公里以上，否则属于异常失效。 据了解，该中间轴选用20CrMnTi钢制造，工艺流程:机械加工(包括铣键槽)—渗碳淬火—回火—抛丸—M20×2螺纹退火—研磨中心孔—校正—精加工并装配到减速箱里。中间轴的技术要求：渗碳层深0.9～1.3mm，碳化物、马氏体、残留奥氏体级别为1～5级，表面硬度58～63HRC，心部硬度30～45HRC，心部铁素体级别≤4级。受企业委托，对异常断裂的中间轴进行了分析，找出了引起断裂的原因。 1中间轴断口分析 绝大多数中间轴的断裂都发生在直径<54mm的台阶处，见图1a箭头所指。该中间轴(齿轮轴)除承受交变的轴向拉伸、压缩应力外，主要承受交变的扭转和弯曲应力。由图1b疲劳断口的光学照片可见，疲劳断口有3个明显的区域:疲劳裂纹源、疲劳裂纹扩展区和最终的过载瞬断区。过载区是因为裂纹扩展一定时间后，该轴的有效面积减少，不能承受下一个也是最终一个循环载荷的作用而形成断口，最终断裂几乎总是突然发生并且没有塑性变形。最终过载区见图1b水平箭头所指部位较暗的区域，该区域面积较少，说明应力不大，即载荷不太大。相对裂纹扩展区，具有贝壳状标记所覆盖的断口面积相对比较大。疲劳裂纹的起源———贝壳状标记曲线的曲率中心，恰好在键槽处。带键槽的圆柱体常在键槽的根部萌生扭转疲劳裂纹，在交变载荷作用下沿其横断面扩展，产生横向疲劳断裂，同时沿圆周方向和轴向扩展，形成具有剥离倾向趋势的断裂曲面，见图1c。由于键槽的存在和其表面粗糙(粗糙度为100μm)，可以认为该铣削加工键槽面的刀痕本身就是显微裂纹，或引起应力集中，容易萌生微裂纹。 图1断裂中间轴照片 (a)中间轴形状(b)断口形貌(c)横切面照片 2化学成分分析 在距离中间轴外圆柱表面4mm以上钻取铁屑作化学成分定量分析，主要化学成分(质量分数，%)为0.21C，0.33Si，1.0.Mn，0.039P，0.0011S，1.18Cr，0.053Ti，除含P量稍偏高外，原材料成分基本合格(参照国标GB/T3077-1988《合金结构钢技术条件》)。 3性能测试 (1)硬度测定在HR2150A型洛氏硬度计上测得渗碳层表面硬度为60HRC，符合技术要求；基体(心部)硬度为28～27HRC，心部硬度偏低。 (2)强度和冲击韧度测定在离断裂面10mm以外的圆柱体内沿纵向并避开渗碳层的影响，采用电火花线切割方法取样，同时留有足够的车、磨削加工余量，并按规范加工成标准试样进行拉伸和冲击试验，结果见表1、2。表中结果显示材料具有较高强度的同时还具有较高的塑性和韧性，与20CrMnTi钢性能相一致，但存在局部韧性不足的情况。 4金相分析 在断裂面附近及其他部位采用电火花线切割方法取样并按制样规范制备金相试样，采用4%硝酸酒精溶液侵蚀，侵蚀前先观察非金属夹杂物级别。扫描电镜分析的断口用金属清洗剂水溶液浸泡加超声波清洗。采用金相法测得渗碳层深为1.1mm，参照技术要求，属合格。 4.1渗碳层和心部(基体)的金相组织 由于20CrMnTi钢中Ti元素起到细化晶粒作用，一般渗碳后直接降温淬火仍然能够得到细小的组织，但所检试样可见原始奥氏体晶粒偏大(图略)。根据GB/T10561-1989《钢中非金属夹杂物显微评定方法》球状氧化物类夹杂物D评定为4级；塑性夹杂物(硫化物A或硅酸盐类C)均评定为2级。按照GB/T3077-1988《合金结构钢技术条件》，脆性夹杂物级别超差(规定≤3级为合格)[3]。 4.2断口电镜分析和微区电子探针半定量分析 键槽根部的尖角、加工刀痕引起应力集中，萌生微裂纹。加工键槽粗糙度100μm，加工刀痕本身已经是微裂纹，快速进入疲劳裂纹扩展期，导致早期断裂失效。裂纹起源于键槽的根部和加工刀痕(伤痕)处，见图2a。疲劳断裂没有塑性变形，最终断裂区呈冰糖状沿晶断裂的脆性断裂特征，见图2b[1]。断口有较多的夹杂物，见图2c。采用电子探针作微区半定量分析夹杂物和基体的结果见表3。由表3可知，该夹杂物属氧化物类的脆性夹杂物，这一结果与常规金相分析的结果一致。 图2中间轴断口扫描电镜照片 (a)键槽附近(b)最终断裂区(c)夹杂物形貌 5结论 (1)变速器中间轴受低应力水平的交变扭转、弯曲载荷而发生早期疲劳断裂，裂纹起源于键槽的根部加工刀痕(伤痕)处。键槽根部的尖角、加工刀痕引起应力集中，萌生微裂纹，引发早期断裂。 (2)中间轴局部韧性不足使疲劳裂纹快速扩展是齿轮轴使用寿命不高的原因，而局部韧性不足则是夹杂物超标和原始奥氏体晶粒粗大所引起。

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