賈西亞 關同立
長城汽車股份有限公司河北保定071000摘要 在後期的製造過程中重點對影響汽車半軸斷裂的工藝的參數及工序進行控制和監控管理，以便降低失效的發生，減少事故的頻率，提高產品的整體品質。
關鍵詞 斷裂；失效分析；微觀觀察
1 概述
汽車在正常行駛過程中，半軸的軸承位台階R 角處發生斷裂，該車累計行駛里程約1 萬公里。
半軸材料為40Cr，基本加工流程：毛坯寅鍛造寅機械加工寅調質處理寅中頻淬火寅磨削加工寅磁粉探傷。半軸技術要求參照《QC/T 294-1999》，基本技術要求如下：在淬火區長度範圍內預調質硬度為24~30HRC，中頻感應淬火後杆部表面硬度為52~60HRC，斷裂處直徑φ40mm，淬火層深度要求為4mm~7mm。
本報告對失效半軸外觀進行了檢查，對斷口進行了宏微觀觀察，並對半軸的金相組織、硬度和化學成分進行了檢測，在此基礎上確定了半軸的斷裂性質，並對其斷裂原因進行了分析。
2 試驗過程與結果
2.1 外觀檢查
斷裂半軸結構示意圖見圖1。斷裂發生在半軸φ40mm 的沿圓周方向的R 角處，該部位為中頻感應淬火區。為了方便描述，將遠離法蘭盤一端的斷口標記為Ⅰ# 斷口，其法蘭盤側的匹配斷口標記為Ⅱ# 斷口。
半軸Ⅰ# 斷口表面基本垂直半軸軸向，斷面平齊，未見明顯宏觀塑性變形。Ⅱ# 斷口斷裂處R 角處表面可見清晰的周向加工刀痕，半軸Ⅱ# 斷面附近R 角處可見裂紋貫穿半軸側表面。
2.2 斷口微觀觀察
將Ⅰ# 斷口用丙酮超聲清洗後放在掃描電鏡下進行微觀觀察。Ⅰ# 斷口斷裂起源於表面，為明顯的線源特徵，源區可見較多的磨損痕跡；在擴展中後期，可見疲勞條帶及磨損痕跡；較粗糙區Ⅱ可見韌窩和二次裂紋，為瞬斷區。
Ⅰ# 斷口斷裂起源於表面，呈線源特徵，源區磨損嚴重；擴展期可見疲勞條帶。
2.3 化學成分檢測
平行於半軸斷口表面取樣進行化學成分分析，結果見表1。各元素含量均符合GB/T 3077-1999 標準要求，其中Mn 含量稍偏上限。
2.4 金相組織觀察
在φ40mm 的半軸上距離斷口約15mm 處的部位橫向取樣，磨製拋光腐蝕後在光學金相顯微鏡下觀察半軸橫截面金相組織；可見環形淬火區。在垂直Ⅱ# 斷口表面截取縱向金相試樣，磨製拋光腐蝕後在光學金相顯微鏡下觀察半軸斷口附近縱截面金相組織；可見淬火區不均勻，大致呈三個不同的區Ⅱ特徵：白亮區、光亮區和灰暗區。半軸R 角區為非正常的淬火馬氏體組織，其中的光亮區形成了淬火裂紋；從主源附近淬火區和次源附近淬火區形狀差異及主源區光亮區與灰暗區的界線延長特徵來看，主源區附近的光亮區可能沒有延長到R 角，這表明R 角可能沒有形成完全的淬火馬氏體。
2.5 硬度檢查
將金相試樣拋光進行顯微硬度測試（載荷為500gf），並參照GB/T 1172-1999 換算成洛氏硬度。由測試結果可知，φ40mm 軸杆部的心部及φ48mm 側斷口處縱向試樣心部的硬度分散性較大，平均值為23HRC 和23.5HRC，稍低於技術要求（24~32HRC）。
對半軸斷口主源和次源附近的淬火層各區進行顯微硬度測定。可見光亮區的硬度最高，灰暗區次之，白亮區最低；這表明淬火層硬度不均勻，可能存在較大的應力。
2.6 淬火層深度檢查
採用金相方法和硬度法測試斷裂半軸φ40mm 軸杆部（距斷口下方15mm） 處的淬火層深度（由表面至硬度變化為HRC40（381HV）處），半軸φ48mm 側次源附近R 角的淬火層厚度。可見，φ40mm 軸杆部的淬火層深度約為4.8mm，半軸φ48mm 側次源附近R 角的淬火層深度約為3.5mm；技術要求φ40mm 軸杆部及R角的淬火層深度為3.5mm~7mm，可知φ40mm 軸杆部的淬火層深度滿足技術要求；半軸φ48mm 側次源附近R 角的淬火層深度低於技術要求。
3 分析與討論
半軸斷口的宏微觀觀察結果可知，斷口表面宏觀未見明顯塑性變形，裂紋擴展區平坦、可見疲勞弧線，微觀可見疲勞條帶；由此推斷，半軸的斷裂性質為疲勞斷裂。
金相組織檢查表明，斷口下方φ40mm 半軸杆部的淬火層組織、深度及硬度符合要求；R 角處存在淬火不當導致組織不符合要求、硬度較低及出現淬火裂紋的現象；這使得半軸疲勞性能下降，引起早期疲勞斷裂，可能是半軸疲勞斷裂的主要原因。
另外，40Cr 鋼中的Mn 元素可提高鋼的淬透性，但容易使鋼產生過熱傾向，並有回火脆性傾向。半軸金相斷裂處的直徑為φ40mm，相對較大，Mn 元素略高時，可能使其更容易淬透，金相組織檢查未見組織粗大過熱特徵，斷口未見沿晶脆性斷裂特徵；這表明Mn 元素比技術要求的略高，沒有使半軸產生過熱和回火脆性，可能沒有對半軸產生較大的不利影響。
綜上所述，半軸斷裂性質為疲勞斷裂；半軸疲勞斷裂主要與R角處淬火不當引起主源，R 角未形成淬火馬氏體、組織不符合要求、表面硬度較低及產生了淬火裂紋有關。材料心部組織狀態與技術條件要求的調質狀態不一致及硬度偏低，使得半軸疲勞性能降低，促進了疲勞斷裂，因此在後期的製造過程中重點對影響其工藝的參數及工序進行控制和監控管理，以便降低失效的發生，減少事故的頻率，提高產品的整體品質。
長城汽車股份有限公司河北保定071000摘要 在後期的製造過程中重點對影響汽車半軸斷裂的工藝的參數及工序進行控制和監控管理，以便降低失效的發生，減少事故的頻率，提高產品的整體品質。
關鍵詞 斷裂；失效分析；微觀觀察
1 概述
汽車在正常行駛過程中，半軸的軸承位台階R 角處發生斷裂，該車累計行駛里程約1 萬公里。
半軸材料為40Cr，基本加工流程：毛坯寅鍛造寅機械加工寅調質處理寅中頻淬火寅磨削加工寅磁粉探傷。半軸技術要求參照《QC/T 294-1999》，基本技術要求如下：在淬火區長度範圍內預調質硬度為24~30HRC，中頻感應淬火後杆部表面硬度為52~60HRC，斷裂處直徑φ40mm，淬火層深度要求為4mm~7mm。
本報告對失效半軸外觀進行了檢查，對斷口進行了宏微觀觀察，並對半軸的金相組織、硬度和化學成分進行了檢測，在此基礎上確定了半軸的斷裂性質，並對其斷裂原因進行了分析。
2 試驗過程與結果
2.1 外觀檢查
斷裂半軸結構示意圖見圖1。斷裂發生在半軸φ40mm 的沿圓周方向的R 角處，該部位為中頻感應淬火區。為了方便描述，將遠離法蘭盤一端的斷口標記為Ⅰ# 斷口，其法蘭盤側的匹配斷口標記為Ⅱ# 斷口。
半軸Ⅰ# 斷口表面基本垂直半軸軸向，斷面平齊，未見明顯宏觀塑性變形。Ⅱ# 斷口斷裂處R 角處表面可見清晰的周向加工刀痕，半軸Ⅱ# 斷面附近R 角處可見裂紋貫穿半軸側表面。
2.2 斷口微觀觀察
將Ⅰ# 斷口用丙酮超聲清洗後放在掃描電鏡下進行微觀觀察。Ⅰ# 斷口斷裂起源於表面，為明顯的線源特徵，源區可見較多的磨損痕跡；在擴展中後期，可見疲勞條帶及磨損痕跡；較粗糙區Ⅱ可見韌窩和二次裂紋，為瞬斷區。
Ⅰ# 斷口斷裂起源於表面，呈線源特徵，源區磨損嚴重；擴展期可見疲勞條帶。
2.3 化學成分檢測
平行於半軸斷口表面取樣進行化學成分分析，結果見表1。各元素含量均符合GB/T 3077-1999 標準要求，其中Mn 含量稍偏上限。
2.4 金相組織觀察
在φ40mm 的半軸上距離斷口約15mm 處的部位橫向取樣，磨製拋光腐蝕後在光學金相顯微鏡下觀察半軸橫截面金相組織；可見環形淬火區。在垂直Ⅱ# 斷口表面截取縱向金相試樣，磨製拋光腐蝕後在光學金相顯微鏡下觀察半軸斷口附近縱截面金相組織；可見淬火區不均勻，大致呈三個不同的區Ⅱ特徵：白亮區、光亮區和灰暗區。半軸R 角區為非正常的淬火馬氏體組織，其中的光亮區形成了淬火裂紋；從主源附近淬火區和次源附近淬火區形狀差異及主源區光亮區與灰暗區的界線延長特徵來看，主源區附近的光亮區可能沒有延長到R 角，這表明R 角可能沒有形成完全的淬火馬氏體。
2.5 硬度檢查
將金相試樣拋光進行顯微硬度測試（載荷為500gf），並參照GB/T 1172-1999 換算成洛氏硬度。由測試結果可知，φ40mm 軸杆部的心部及φ48mm 側斷口處縱向試樣心部的硬度分散性較大，平均值為23HRC 和23.5HRC，稍低於技術要求（24~32HRC）。
對半軸斷口主源和次源附近的淬火層各區進行顯微硬度測定。可見光亮區的硬度最高，灰暗區次之，白亮區最低；這表明淬火層硬度不均勻，可能存在較大的應力。
2.6 淬火層深度檢查
採用金相方法和硬度法測試斷裂半軸φ40mm 軸杆部（距斷口下方15mm） 處的淬火層深度（由表面至硬度變化為HRC40（381HV）處），半軸φ48mm 側次源附近R 角的淬火層厚度。可見，φ40mm 軸杆部的淬火層深度約為4.8mm，半軸φ48mm 側次源附近R 角的淬火層深度約為3.5mm；技術要求φ40mm 軸杆部及R角的淬火層深度為3.5mm~7mm，可知φ40mm 軸杆部的淬火層深度滿足技術要求；半軸φ48mm 側次源附近R 角的淬火層深度低於技術要求。
3 分析與討論
半軸斷口的宏微觀觀察結果可知，斷口表面宏觀未見明顯塑性變形，裂紋擴展區平坦、可見疲勞弧線，微觀可見疲勞條帶；由此推斷，半軸的斷裂性質為疲勞斷裂。
金相組織檢查表明，斷口下方φ40mm 半軸杆部的淬火層組織、深度及硬度符合要求；R 角處存在淬火不當導致組織不符合要求、硬度較低及出現淬火裂紋的現象；這使得半軸疲勞性能下降，引起早期疲勞斷裂，可能是半軸疲勞斷裂的主要原因。
另外，40Cr 鋼中的Mn 元素可提高鋼的淬透性，但容易使鋼產生過熱傾向，並有回火脆性傾向。半軸金相斷裂處的直徑為φ40mm，相對較大，Mn 元素略高時，可能使其更容易淬透，金相組織檢查未見組織粗大過熱特徵，斷口未見沿晶脆性斷裂特徵；這表明Mn 元素比技術要求的略高，沒有使半軸產生過熱和回火脆性，可能沒有對半軸產生較大的不利影響。
綜上所述，半軸斷裂性質為疲勞斷裂；半軸疲勞斷裂主要與R角處淬火不當引起主源，R 角未形成淬火馬氏體、組織不符合要求、表面硬度較低及產生了淬火裂紋有關。材料心部組織狀態與技術條件要求的調質狀態不一致及硬度偏低，使得半軸疲勞性能降低，促進了疲勞斷裂，因此在後期的製造過程中重點對影響其工藝的參數及工序進行控制和監控管理，以便降低失效的發生，減少事故的頻率，提高產品的整體品質。
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