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機(jī)電工程學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計外文資料翻譯
設(shè)計題目: ZQ1080型商用車驅(qū)動橋、后懸架設(shè)計
譯文題目: 不當(dāng)?shù)臒崽幚碓斐善嚭筝S的失效
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文獻(xiàn)出處：ASM國際2013，P353-358
不當(dāng)?shù)臒崽幚碓斐善嚭筝S的失效
H. M. Tawancy ? Luai M. Al-Hadhrami
摘要：一段破碎感應(yīng)后橋軸的淬火鋼從翻倒的汽車現(xiàn)場除去，被用來分析并確定故障的原因。光學(xué)金相和掃描電子顯微鏡結(jié)合能量色散譜通過顯微測量來評估該軸的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械強(qiáng)度。化學(xué)分析驗證該軸符合美國鋼鐵協(xié)會的4140鋼，是規(guī)范的。然而,顯微結(jié)構(gòu)的特征和顯微硬度的測量表明,軸是由于熱處理不當(dāng)而導(dǎo)致脆弱,經(jīng)發(fā)現(xiàn)，其中裂紋的擴(kuò)展通過晶間模式中芯內(nèi)切割與相反而發(fā)生。這種現(xiàn)象與微觀結(jié)構(gòu)的差異有關(guān),我們可以觀察到馬氏體等效至Rc 58硬度的情況下，與RC 25.內(nèi)芯珠光體和鐵素體的混合物的差異，盡管不可能重構(gòu)導(dǎo)致斷裂的事件的精確順序，但它在大的過載且在極硬且脆的情況下，導(dǎo)致車輛的傾覆以及由傾覆的影響帶來的斷裂的情況是可能發(fā)生的。但是,由于氫產(chǎn)生的裂紋萌生生銹和水銹導(dǎo)致車輛的傾覆的可能性是不能被排除的。
關(guān)鍵詞：脆性斷裂，表征，分裂，電子金相，剛的硬度。
1.序言
軸安裝在車輛完成兩個重要的功能：（i）它們傳遞驅(qū)動扭矩，（ii）保持車輪的位置相對于彼此和車輛的車身。在大多數(shù)的商業(yè)車輛，驅(qū)動輪的圓周運動是通過半軸的方法來保持，這是后橋的組成部分。該軸被安裝在輪胎的車輪以及鄰近的差速器和橫跨所述車輛的底部。在使用過程中，軸由于重負(fù)荷或急加速經(jīng)常承受著巨大的扭矩，因此，他們由各種等級的硬化鋼制成。然而，由于各種原因，軸可能會由于其疲勞模式而失效，如圖[ 1-5 ] 。在極端的情況下，在駕駛過程中軸的裂紋可能導(dǎo)致車輛傾覆。
后車軸裂紋的典型癥狀是打滑，這類似于車輛的一側(cè)在冰上行駛，也就是俗稱的擺尾。如果驅(qū)動程序不正確響應(yīng)由計數(shù)器轉(zhuǎn)向，即在打滑相同的方向轉(zhuǎn)動前輪，就會出現(xiàn)完整的旋轉(zhuǎn)。因此，軸的裂縫能導(dǎo)致車輛的傾覆特別是發(fā)生在高速行駛中的車輛，比如常發(fā)生在高速公路上。然而，軸斷裂后的影響也可能是由于意外事故引起的。因此，關(guān)鍵問題需要通過各自的失效分析研究調(diào)查，來確定到底是軸的斷裂引起的，或者是因事故引起的。
在目前的情況下，按照從目擊者接收到的信息，車輛以100公里/小時的速度（62英里/小時）行駛在平穩(wěn)的高速公路上，這是在限速范圍內(nèi)時翻倒的車輛。此外，有人說，沒有碰撞參與，也沒有跡象表明司機(jī)試圖避免一個對象。由于該事故是致命的沒有任何信息可以從驅(qū)動程序獲得。按照規(guī)范的破碎軸直徑約7厘米是鍛造生產(chǎn)的鋼種生產(chǎn)符合美國鋼鐵協(xié)會的4140有感應(yīng)淬火處理的3 - 4毫米深度。雖然關(guān)于組織和硬度規(guī)格各自是不可用時，通常的情況下要求回火馬氏體有HV 500-550的硬度，內(nèi)芯由鐵素體和珠光體的混合物組成[6,7]。收到從現(xiàn)場取出斷裂的后橋軸的部分，以確定故障的最可能的原因。
2.實驗的方法
有代表性的金相試樣從接收部分的軸拆下，用光學(xué)顯微鏡金相評估結(jié)合使用掃描電子顯微鏡和微量化學(xué)分析采用無窗的X射線探測器。電感耦合等離子體原子光譜法（ICP-AES）是用來測量用的碳含量異常的應(yīng)用鋼的化學(xué)成分，這是由燃燒量熱法測定（CC）。三種類型的標(biāo)本的研究：（i）在接收狀態(tài)的樣品的視覺檢驗和斷口形貌的表征，（ii）試樣在作為拋光狀態(tài)下以測量橫跨殼體并進(jìn)入芯的硬度，（iii）樣本在3%硝酸酒精溶液浸蝕顯示在外殼和核心的晶粒結(jié)構(gòu)。一個維氏硬度測試儀是用來測量硬度使用10克負(fù)載。
3.實驗結(jié)果與討論
圖1a是后車軸的示意圖示，它顯示出了車輪安裝法蘭附近的斷裂大致位置。該部分照片中被接收用于分析的截面照片顯示于圖1B中。在一般情況下，沒有證據(jù)表明在斷裂附近發(fā)生宏觀變形，但是，可以看到有一些銹在其表面。如可以看到的，斷裂運行垂直于軸的軸線。它公知的是裂縫傳播通常由局部應(yīng)力條件[6,8]來確定。剛才已指出雖然后車軸經(jīng)常遭受沉重的扭矩，扭轉(zhuǎn)或剪切裂縫應(yīng)沿著45度的方向被拉伸斷裂，這是執(zhí)行正常的應(yīng)力[5,6]對比度的方向。因此，通過對圖1B的觀察表明，斷裂是拉伸型，這可能起因于大的過載。
圖?1?(a)?示意圖 顯示后橋半軸的插圖顯示的近似斷裂位置。
(b)?圖a的中受到分 析的那部分軸的照片。
作為接受條件下顯示的斷裂面光光學(xué)宏觀如圖2所示。它觀察到的斷口是由兩個不同的區(qū)域組成：(i)一個相對平整的外圍區(qū)域標(biāo)記的A，其中的斷裂發(fā)起與深度相對應(yīng)的情況下，和(ii)一個粗糙的核心標(biāo)志的B最終斷裂發(fā)生的位置。說明這兩個區(qū)域的詳細(xì)信息，如在更高的放大倍數(shù)觀察到的光光學(xué)外貌如圖3所示。它是從圖3a觀察A包含匯聚在已斷裂的表面區(qū)域的雪佛龍標(biāo)志該區(qū)域。如后面所示，在這一地區(qū)的斷裂已由晶間的機(jī)制傳播，硫化錳夾雜物可以加強(qiáng)軸的缺口敏感性。如在圖3b中觀察到的核心（B區(qū)）有光澤面斷裂的典型劈裂機(jī)理。這些裂紋擴(kuò)展模式進(jìn)一步確認(rèn)是由掃描電鏡觀察顯示以后提供的。同時，它表明，所觀察到的差異，斷裂行為的案例，是由硬化處理產(chǎn)生的核心結(jié)構(gòu)變化引起的。
圖2光學(xué)宏觀圖顯示兩個不同的區(qū)域A(殼體)和B(核心)的斷裂表面。
圖3,：圖2中A和B區(qū)域的光學(xué)宏觀特征在高倍鏡下的圖示，
（a）在區(qū)域A雪弗龍標(biāo)志指向斷裂點所在的平面，
（b）B區(qū)域的斷裂面有光澤。
表1：美國鋼鐵協(xié)會的4140鋼的化學(xué)成分(重量 %)
圖表1表明，軸的材料的化學(xué)成分的測量與美國鋼鐵協(xié)會的4140指定的名義成分一致的情況下觀察到的微觀結(jié)構(gòu)是典型的馬氏體，在圖4a表示的例子所示。圖4a表示該軸猝火和未回火而核心被慢慢冷卻。一個更進(jìn)一步的確認(rèn)提供了所觀察到的斷裂模式和顯微硬度測量如下所示。圖4b顯示出一個相應(yīng)的能量色散譜顯示出與表1中的指出一致，低濃度的鉬（0.2重量％）的是由低于檢測限的數(shù)據(jù)相一致的鋼元素組成。另一個微觀結(jié)構(gòu)的特點是在圖5的例子顯示了細(xì)長硫化錳作為粒子存在。明暗對比周圍粒子的地區(qū)可能是由于高的局部應(yīng)變和/或微裂紋的擇優(yōu)腐蝕。此類夾雜物可以充當(dāng)中心吸引脫位導(dǎo)致形成的微裂紋[9，10]。同時，它表明，細(xì)長顆粒硫化錳能夠促進(jìn)加氫裂化鋼，特別是如果硬度超過RC 25 [ 11 ]。如后面所示的硬度內(nèi)案件是關(guān)于Rc58。二次電子圖像顯示對應(yīng)的情況下的斷裂表面的典型形貌如圖6所示。很明顯，由晶內(nèi)裂紋擴(kuò)展機(jī)制的情況下發(fā)生，這可能是一個組合的大過載脆性為進(jìn)一步所示相關(guān)。 鉬
能量
圖4：外殼的微觀結(jié)構(gòu)特征。
（a)背散射電子圖像顯示殼體內(nèi)馬氏體類型組織的情況。
（b)相應(yīng)能量色散?x 射線能譜顯示的鋼的組成元素
圖5：MnS夾雜的情況下觀察到的分析（蝕刻標(biāo)本）。
（a）背散射電子圖像顯示的夾雜物為在不同的放大倍率（在暗對比度區(qū)域周邊的顆?？赡苁怯捎趽駜?yōu)腐蝕或微裂紋）。
（b）能量色散X射線譜MnS粒子如箭頭所示
圖6：二次電子圖像顯示斷口形貌對應(yīng)于該殼體。（a)總斷裂的形態(tài)表面。
(b)斷裂面在高放大倍率下顯示出裂紋擴(kuò)展的晶間機(jī)制。
圖7：顯示典型的微觀結(jié)構(gòu)的背散射電子像芯（珠光體和鐵素體的混合物中的特征;蝕標(biāo)本）
圖7說明了核心顯示珠光體和鐵素體的混合物的典型組織。能量色散譜來自核心是與圖4b所表示的相同的斷裂面相應(yīng)的形態(tài)特征圖8中一致的裂紋擴(kuò)展的斷裂機(jī)制由解理臺階反射顯示的箭頭指示，這可能由于高應(yīng)變率的影響發(fā)生傾覆車輛的經(jīng)驗。
圖8：二次電子圖像顯示的形態(tài):斷裂表面相對應(yīng)的核心（接收狀態(tài)）。
（a）低倍圖像顯示典型的解理斷裂。
（b）高倍放大圖像說明裂解步驟如箭頭所示
圖9總結(jié)了測量的硬度（HV10）穿過殼體并進(jìn)入芯的結(jié)果，和等效RC值。可以看出，硬度表面附近超過650 HV10接近RC 58，大大高于預(yù)期的硬度500–550 HV 。這似乎是符合的結(jié)構(gòu)特征內(nèi)的情況（圖4a）以及斷裂行為（圖6）。
顯微硬度（HV） 硬度(Rc)
表面距離
圖9：整個殼體的維氏硬度分布（HV10）和:成芯的等效RC值（拋光試樣）
上述結(jié)果提示失敗最可能的原因是軸的熱處理工藝控制不當(dāng)導(dǎo)致案件中的軸的微觀結(jié)構(gòu)的延展性與塑性很差容易發(fā)生脆性斷裂，很明顯軸未受到適當(dāng)?shù)幕鼗鹛幚怼ｋm然這是相當(dāng)困難的重建導(dǎo)致所述軸的斷裂事件的確切序列，這也是可能的，它可能在脆性情況且大過載的情況下導(dǎo)致車輛的傾覆。但是在此基礎(chǔ)上，另一種可能性是由于水的皮卡和一些在表面，生銹的氫致開裂，這是不能被證實的。雖然最后的斷裂還可能通過傾覆和沖擊相關(guān)聯(lián)的高應(yīng)變速率發(fā)生，不能排除斷裂的唯一原因是該車輛傾覆的可能性。
4.總結(jié)
由以上可得本案例的結(jié)論是：問題的根源是脆化的情況下，熱處理不當(dāng)。雖然這是難以確定的斷裂機(jī)制，它可能是由于大過載導(dǎo)致開裂的可能性，但是由于氫產(chǎn)生的銹以及水拾取也不能被排除。然而，最終的斷裂有著可能導(dǎo)致車輛傾覆的影響。另一種可能是，軸的斷裂對車輛傾覆完全負(fù)責(zé)。
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附件：外文資料原文