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1、材料失效分析汽车传动轴失效分析目录CONTENTS01案例背景02理化检验03分析讨论04主要结论05参考文献01案例背景01案例背景图一：传动轴及断裂部位 某汽车在出厂前的带载公路运输试验时(试验行程500km，其中柏油路300km，碎石路200km)，在过完碎石路倒车制动时，出现弯扭器与分动器之间的万向节传动轴断裂。断裂部位位于变速箱后800mm的传动轴支座处，轴承与连接凸缘结合面处花键轴断裂，见图1。传动轴设计要求的材料为42CrMo，传动轴调质硬度为2030HRC，中频淬火硬度为4858HRC，淬硬层深度为35mm。传动轴加工工艺路线为：原材料进厂检验一原材料入库一下料一锻造正火处理+
2、粗加工+调质处理一精加工一中频淬火一检验入库。案例简介案例简介断裂处02理化检验02理化检验2.1 宏观形貌：对传动轴断裂情况进行宏观观察(见图1、2)。观察断口的一面，传动轴花键齿发生显著变形(图l下半部)，断口的另一面，键齿变形较小(图1上半部)。图2为断口的宏观形貌。断裂源位于花键齿表面(图2箭头处)，裂纹扩展方向为图2中小红箭头方向，中部为瞬时断裂区。从宏观观察，断口呈韧性断裂；断口未见宏观冶金和机械缺陷。图一图二断裂源02理化检验2.2 低倍及淬硬层分布情况：在断裂的传动轴上截取一全截面的低倍试验，进行热酸蚀试验，中心疏松为2级(见图3)，符合GB3077的要求；淬硬层分布均匀，淬硬
3、层35mm；当断裂传动轴沿纵向剖开后，可见在靠近断口处淬硬层已接近尾端。中心疏松02理化检验2.3 硬度试验：一.用里氏硬度计在距断口 5 mm 内齿面和距断口5 mm 外检测齿面硬度值，结果见表1。02理化检验2.3 硬度试验：二.在传动轴断口处取样，并以断口截面边缘为起点，纵向检测维氏(HV)硬度值，见表 2 和图 4。图四：硬度趋势图02理化检验2.4 成分分析：在断裂的传动轴上取样，用 ICP 分析成份，见表3。经 ICP 检测，传动轴材料为 40Cr与要求不同。02理化检验2.5 显微组织：在断裂的传动轴上取金相试样，传动轴中心的基体组织为索氏体和网状、块状的铁素体(见图5)；在传动
4、轴1/4直径处组织为索氏体和网状分布的铁素体(见图6)，传动轴未淬透；在断面-断齿顶部取样观察，基体组织为马氏体和索氏体(见图7)，齿硬度为35.5HRC，达不到设计要求。距离断口面10 mm取花键样，淬硬层约3.2 mm，键齿顶部组织为细小的马氏体(见图8)，硬度为52.5HRC。图5图6图7图8索氏体铁素体索氏体马氏体03分析讨论03分析讨论1 在某运输车上设计的传轴，额定扭矩为20000Nm，在满载56t最大爬坡度40%时，承受的最大扭矩为18458Nm，设计的额定扭矩大于承受的最大扭矩，扭矩设计符合要求。2 经化验分析，传动轴材料不符合42CrMo要求，实际材料接近40Cr，在传动轴热
5、处理硬度为2030HRC的条件下，一般情况下42CrMo材料与40Cr材料相比，抗拉强度要大于15%；因此实际使用的传动轴材料不符合设计要求，造成传动轴强度降低。3从断口上观察，断裂属韧性断裂，断口位于中频淬火区最未端，断口处的键齿硬度也比设计要求的低，造成传动轴抗扭强度降低4传动轴的设计强度为max=759MPa，使用42CrMo材料，在热处理20-30的状态下，它的强度=744MPamax，也符合要求，只是设计裕度较小。03分析讨论657从传动轴的基体组织上看，是索氏体和网状、块状的铁素体和索氏体和网状分布的铁素体，这说明传动轴在热处理时，淬火温度低或淬火保温时间不足，造成块状和网状铁素体
6、的存在，在淬火保温阶段铁素体未完全溶入到奥氏体中，使传动轴在淬火冷却过程中保持到室温状态，铁素体的存在造成了传动轴强度的降低;另外,40Cr的淬火温度为835865，而42CrMo的淬火温度为835865，淬火温度相近，材料错误对淬火温度的影响不大。从传动轴上观察，在最后一道工序中频淬火时，传动轴中间部位大部分区域淬硬层为35mm的范围内符合设计要求，而在中间部位的硬度也符合设计要求，而断口部位正处于中频淬火的未端，在此处其组织为马氏体和索氏体，从图 1和图4观察，下半部分键齿未进行感应淬火，断口处于感应淬火区与未感应淬火区结合部，原因是感应淬火操作时淬火行程未到此处，此处硬度为35.5 HR
7、C，达不到设计要求的4858 HRC，使断口部位的强度降低，中频淬火区域不符合设计要求 传动轴外表面受切向应力最大，而断口部位正处于感应淬火的软区，在此部位硬度和强度降低的同时，传动轴在此部位所受的实际应力超过了传动轴的实际强度，在传动轴外表面形成断裂源。04主要结论04主要结论（1）材料不符合设计要求，造成传动轴的强度降低，是造成传动轴断裂的原因之一;（2）传动轴基体组织未淬透，存在铁素体，造成传动轴的强度降低和传动轴表面感应淬火区间短，不满足设计要求是造成断裂的根本原因;（3）建议严格控制原材料的验收程序;在传动轴热处理过程中，严格控制传动轴的淬火保温时间或淬火温度;（4）在传动轴感应淬火时，增大感应淬火区域;（5）在设计传动轴时，适当增加传动轴的强度。05参考文献06参考文献1热处理手册编委会.热处理手册M.北京:机械工业出版社，1992,1;213225.2张建明.传动轴失效分析.热处理技术与装备,2011,32(3);57-59.3周薇.传动轴断裂失效分析.热处理技术与装备,2014,35(3);52-544马惠霞.庞兆夫.黄磊等.挖掘机传动轴断裂失效分析.兵器材料科学与工程,2009,(3);87-895王峥,王放明.基于失效分析的汽车传动轴断裂的鉴定.汽车与安全,2016,0(6);95-99THANK YOU!