扭力轴断裂原因分析
张 峥，于荣莉，钟群鹏
(北京航空航天大学材料科学与工程系，北京 100083)
摘
要：某扭力轴试验时多次发生脆性断裂，微观形貌为沿晶形貌，该轴的加工工艺中锻造和回火处理可能导致沿晶形貌的产生，通过对比分析确定该轴加工过程中产生了回火脆性，重新回火处理可以消除回火脆性。
关键词：扭力轴；失效分析；沿晶断裂
1 扭力轴断裂基本情况
某型号扭力轴在出厂试验时，多根轴发生断裂。该扭力轴用45CrNiMoVA钢制成，规格为<43mm×2080mm(两端花键部分为<49mm×80mm)。生产工序为坯料两端热镦粗→热处理→机械加工→热处理→后续处理。断裂多发生在花键部位处，并且与端部的工艺孔相联通，如图1所示。
图1 扭力轴断裂宏观形貌
2 化学成分分析及金相检查
扭力轴是由45CrNiMoVA钢制造而成的。取已经断裂的轴进行化学成分分析。从表1中可以看出，Cr含量偏低，而Ni、Si、Mn含量偏高，都超过了标准值。
取距小头端部20mm处进行晶粒度和组织检查。晶粒大小不均匀，但晶粒都比较细小，晶粒度约为10级以上，如图2～3所示。金相组织比较正常，未见魏氏组织和晶粒长大等过热的特征。
图2 扭力轴晶粒度 ×500
图3 扭力轴金相组织 ×400
3 断口形貌分析
扭力轴是车辆悬挂装置中的弹性零件，轴的一端在车体内固定不动，另一端在平衡肘内固定，所以在车辆行驶时碰到障碍时，平衡肘旋转使扭力轴扭转，由于轴的扭转使车辆受到的撞击和震动减弱。在这种工作状态下，轴表面沿轴线和横向受有很大的切应力，而主平面应力与轴线成45°角，因此，扭力轴破坏时常常会出现树裂状破断、平头状破断和斜状破断。但从图1中可以看出，该扭力轴断裂多为螺旋锥状破断，断口附近塑性变形很小，这样的破断形式是比较少见的，说明其寿命较低，并且材料比较脆。断口表面有摩擦的痕迹，并且表面腐蚀比较严重，清洗后可以看到断口微观形貌为沿晶形貌，如图4所示。
图4 扭力轴断口形貌
根据扭力轴的加工过程，断裂扭力轴断口微观形貌出现沿晶形态可能与锻造或回火处理有关。为了确定沿晶形貌产生的原因，分别切取断裂扭力轴花键部位(以下简称F2号试样)、锻造后经过正火的毛坯料距小头端部约10mm处(以下简称F3号试样)和断裂扭力轴中间部位(距端部约1000mm处，以下简称F4号试样)3个试样打断后观察断口的微观形貌，其中前2个试样打断断口面与实际断口平面平行，F4号试样打断断口面与实际断口平面垂直。观察发现F2号试样的断口微观形貌为沿晶+韧窝，F3号试样的微观形貌为韧窝，F4号试样的微观形貌为韧窝和沿晶，如图5～7所示。因此，从打断断口的对比分析可以看出，除F3号试样外，其余2个试样均存在沿晶形貌，可以推断沿晶形貌产生可能与锻造工艺无关。断轴打断断口在较低放大倍数下观察，可以看到成排的夹杂物存在，夹杂物主要是MnS，如图8所示。
图5 F2号试样打断断口微观形貌
图6 F3号试样打断断口微观形貌
图7 F4号试样打断断口微观形貌
图8 扭力轴打断断口上成排的夹杂物
4 热处理产生的回火脆性分析
从断裂扭力轴中间部位的断口形貌为沿晶+韧窝这一事实，可以推断沿晶形貌的产生与锻造无关，可能与热处理产生的回火脆性有关，但是有关资料都说明该材料不会产生回火脆性。为了证明沿晶形貌是否与回火脆性有关，切取该处制做试样在500℃加热，然后水冷，再将试样打断，观察断口的微观形貌，发现基本上是韧窝，如图9所示，同时，切取锻造后的毛坯料进行正常淬火+回火处理，处理后的微观形貌基本上是韧窝。因此，可以证明该扭力轴在热处理过程中产生了回火脆性。
图9 500℃重新回火后的微观形貌
5 冲击试验结果
为了评价材料的脆性，在断裂扭力轴中间部位取标准的V型缺口冲击试样，进行冲击韧度测试，3个试样的测试结果如表2所示。
从表2中看出，冲击韧度数值比较低，约是标准值的一半。冲击试验的结果显示出扭力轴比较脆，也证明了扭力轴在处理过程中产生了回火脆性。
6 扭力轴断裂原因分析
扭力轴断裂多发生在花键部位，并且寿命很短，断口宏观形貌为螺旋锥状，塑性变形较小，微观形貌为沿晶及少量韧窝形貌，这是一个非正常的断口形貌，它说明材料非常脆，冲击试验结果充分证明了这一点。扭力轴的断裂是在交变应力的作用下发生的疲劳破坏，引起该扭力轴发生疲劳断裂的根本原因是材料的塑性储备不足造成的。
根据该轴的生产和使用情况，可以认为沿晶形貌的产生与热加工有关，即可能与镦粗时锻造加热和机械加工后热处理两个过程有关，锻造时过热或过烧会导致断口形貌为沿晶，热处理回火产生回火脆性也会导致断口形貌为沿晶。金相检查未见魏氏组织和晶粒长大，打断断口形貌对比分析发现未经锻造部分的形貌也有沿晶存在，可以排除锻造过热或过烧导致沿晶形貌的可能性。在500℃重新回火处理后沿晶形貌可以消除掉，全部变为韧窝形貌，另外取断轴进行的冲击试验，其冲击韧度大幅度下降，进一步证明了热处理回火脆性的存在，这显然与有关资料关于45CrNiMoVA钢不具有回火脆性的介绍有些矛盾，初步分析回火脆性的产生可能与材料成分的偏差有关。这种材料中Mn、Cr、Ni、Si、C等元素是有利于回火脆性产生的，Mo和V元素的存在会抑制回火脆性的产生，而化学分析结果显示，Cr元素偏低，Mn、Ni、Si、C等元素偏高，这样的成分偏差可能会导致回火脆性的产生。图8中可以看到大量的夹杂物，夹杂物的存在会降低材料的冲击韧度，但前面的打断断口观察发现，沿晶形貌的产生与夹杂物的存在没有直接关系。夹杂物的存在加速了裂纹的萌生；另外锻造中的缺陷和扭力轴端部的工艺孔过深对扭力轴的断裂都起到了促进作用，它们缩短了裂纹的萌生寿命。
7 结论
(1)扭力轴断裂模式是在交变应力的作用下产生的疲劳破坏；
(2)扭力轴断裂的根本原因是热处理过程中产生了回火脆性，导致断口微观形貌为沿晶，回火脆性的产生可能与材料化学成分的偏差有关；
(3)原材料中的夹杂物、锻造中的缺陷和扭力轴端部的工艺孔过深加速了裂纹的萌生。
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