汽车传动轴断裂会有什么后果（汽车前轴断裂失效主要原因分析）

前轴断裂部位表面存在折叠和切边划痕是导致前轴产生早期疲劳失效的主要原因。建议适当控制模具的使用寿命，对模具局部失效和磨损严重的部位及时修复，以保证锻件表面质量。

前轴锻后热处理时，形成大量网状铁素体导致基体组织不均匀，脆性增大，抗冲击韧性差，加速了裂纹的扩展，促使前轴发生早期断裂失效。建议改善淬火介质的浓度，增强淬火介质对流，以提高锻件心部的冷却速度，提高前轴的力学性能。

汽车前轴是汽车前桥总成的重要零件，其形状复杂，中间与板簧相连，两端与转向节连接，在行驶过程中，除主要承受弯曲应力外，还要承受转向制动冲击载荷，因此要求前轴具有较高的强度、刚度以及良好的耐疲劳性能。

某汽车前轴在台架疲劳试验中发生了早期断裂失效，找出该前轴断裂失效原因，对于避免早期断裂的发生及延长前轴使用寿命具有重要意义。以下通过对失效前轴断口的形貌特征、金相组织、化学成分和力学性能进行测试和分析，对前轴的断裂性质与断裂原因进行了探讨，并提出了改进措施。

前轴成形工艺

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前轴的材料为40Cr，其锻造工序如下：原材料→下料→中频加热→辊锻→弯曲→终锻→切边→热矫正。热处理工艺为淬火 回火，将前轴锻件加热至860℃浸入介质中冷却，再放入620℃的电炉内回火，要求热处理组织为回火索氏体，拥有良好的综合力学性能。

失效分析

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断口分析

断口宏观分析

图1 前轴断裂位置

图2 断口宏观形貌

前轴断裂位置如图1所示，可以看出断裂位于弹簧坐板背部与工字筋下表面过渡区域。断口宏观形貌如图2所示，断口具有明显的疲劳弧线和放射条纹，整体呈灰色，无明显塑性变形，为典型的疲劳断口。可将断面分为3个区域，根据断口放射状条线的收敛方向，可判断A区域为断口的疲劳源，该区域呈现为纤维状断口，为裂纹萌生区；B区域为断口的扩展区，呈现清晰的疲劳辉纹，其中靠近疲劳源区的辉纹线较细密，裂纹扩展较慢，远离疲劳源区的辉纹线较稀疏、粗糙，裂纹扩展较快；C区域为瞬断区，断面比较粗糙呈结晶状，为正常过载断裂特征。

断口微观分析

（a）折叠

（b）切痕

图3 疲劳源微观形貌

用超声波清洗断口，然后制样并在SEM下观察断口的微观形貌。在断口疲劳源A区域发现有2个疲劳源如图3所示，其中疲劳源存在折叠缺陷，折叠深度约为1.2mm（见图3（a））；疲劳源存在明显的切痕，深度约为100μm（见图3（b））。由于存在折叠，在前轴表面产生与切应力成一定角度的裂口，折叠尖端就会产生应力集中，裂纹会在折叠处萌生并扩展。同时，观察断口表面（见图1）可以看出疲劳源位于飞边的侧面，很可能是锻件切边时造成的。通过现场工艺观察发现，切边模部分区域刃口磨损严重，使前轴表面出现沟槽与毛刺，而毛刺在最后热矫正工序中又被压入锻件表面形成折叠。

（a）扩展区

（b）瞬断区

图4 断口微观形貌

利用SEM进一步观察断口，扩展区B的微观形貌如图4（a）所示。

从图4（a）中可以看出，扩展区断口存在疲劳条带，疲劳条带呈弯曲并相互平行的花样，与裂纹扩展方向垂直，每一条疲劳条带代表一次循环载荷；疲劳条带附近存在解理面与大量二次裂纹，与疲劳条带保持平行，表明该区断口呈脆性特征，在疲劳扩展中，二次裂纹开裂后，局部应力得到松弛，使裂纹可以以条带机制进行扩展。

瞬断区C的微观形貌如图4（b）所示，为疲劳裂纹扩展到临界尺寸后失稳所形成的区域，在扫描电镜下可以发现瞬断区出现平坦解理小面、微孔及撕裂棱组成的准解理形貌。准解理断裂沿一定的结晶面扩展，其塑性变形量介于解理断裂与塑性断裂之间，属于脆性断裂。由此可以表明该前轴疲劳断裂属于脆性断裂。

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微观组织分析

在断口裂纹源区及心部扩展区位置取金相试样，经研磨抛光，用4%硝酸酒精溶液腐蚀后采用光学显微镜观察，疲劳源A区附近金相组织为回火索氏体、条状及块状铁素体，如图5（a）所示。扩展区心部B区金相组织为回火索氏体、条状及网状铁素体，组织分布不均匀，如图5（b）所示。

（a）疲劳源区A区

（b）扩展区心部B区

图5 金相组织

40Cr钢调质处理后的正常组织应为回火索氏体 少量未溶铁素体，但该前轴的金相组织中块状及条状铁素体较多，心部组织甚至出现网状铁素体（见图5（b））。

经分析，在前轴热处理时，由于淬火温度区保温时间不足，造成前轴奥氏体化不充分，形成了不均匀的块状铁素体；其次，由于前轴断裂处心部截面积较大，导致前轴在淬火时心部冷却速度较慢，奥氏体组织不能完全转变为马氏体，铁素体组织以网状形式大量析出，形成网状铁素体。网状铁素体的存在破坏了组织的连续性，致使基体强度降低，韧性下降，使材料容易发生脆性断裂，从而导致前轴扩展区与瞬断区均出现脆性断裂特征。

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化学成分

在断裂前轴上制取样本，采用直读光谱测试仪测试前轴的化学成分，结果如表1所示。其成分满足GB/T 4336—2016标准规定40Cr钢成分要求。测试结果表明，前轴的化学成分符合技术要求。

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力学性能分析

硬度

（a）测试部位

（b）测试结果

图6 硬度测试

通过布氏硬度计测量该前轴断面的硬度，如图6所示。可看出由表层至心部，硬度逐渐降低，硬度值为237~269HB。前轴热处理后硬度要求为245~277HB，因此心部硬度偏低。

拉伸试验

在断裂位置处（距离表面5mm）取样，根据GB/T 228.1—2012《金属材料室温拉伸试验方法》进行室温拉伸测试，样本数为3。测试结果取平均值如表2所示。前轴的力学性能未达到要求。

经力学性能测试可知前轴心部硬度及力学性能未达到国家标准要求，进一步证明了由于基体组织中出现网状铁素体，降低了基体的强度，使得疲劳裂纹更容易扩展。在内外因素的综合影响下，大幅度缩短了前轴的疲劳寿命。

▍原文作者：李朝亮

▍作者单位：合肥工业大学

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