摘要：针对某汽车轮毂轴承在行驶过程中突然断裂的问题，采用扫描电子显微镜、金相显微镜、直读光谱仪、显微维氏硬度计和布氏硬度计等进行原因分析。结果显示，断裂起源于与内圈过盈配合的边缘R 区，断裂性质为一次性弯曲脆性断裂，其材质和热处理质量合格。分析得出，断裂是由行驶过程中受到过载的冲击载荷而导致，建议提高轮毂轴与内圈配合R 区的感应淬火有效硬化层深度，同时将零件整体热处理方式由等温退火更改为调质处理。
关键词：汽车轮毂轴承 65Mn 断轴 感应淬火
1 前言
汽车轮毂轴承是汽车承重及为转向系统提供精确导向的关键安全件之一，连接轮毂或制动盘与转向节，主要作用是为旋转副减少摩擦力，同时还起到传递扭矩的作用[1-4]。国内轮毂轴承已开发到第四代，第三代轮毂轴承已广泛应用于乘用车领域，相对第一代和第二代，其集成度大大加强，具备更高的装配精度和可靠性，因此受到所有主流主机厂的青睐[5-8]。
某汽车在行驶过程中，由于出现交通事故，其右后轮轮毂轴出现断裂导致车轮飞出，给车主带来巨大损失。该断裂轮毂轴的材质为65Mn 碳素钢，其主要的生产工艺流程为原材料→热模锻→整体等温退火处理→车削加工→轴表面感应淬火→磨削加工→装配。
该零件整体等温退火后，要求硬度为190～220 HBW，金相组织为片状珠光体 少量球状珠光体；轴表面经感应淬火后，要求硬度为60～65 HRC，金相组织为3～6 级回火马氏体，轴表面淬硬层深度为1.8～3.0 mm。为了找出该零件断裂的原因，对其展开失效分析，主要从外观检查，断口的宏微观形貌观察、基体及淬硬层的显微组织和硬度分析、化学成分分析等方面进行检测分析，以确定断裂的性质及其断裂失效的原因，并给出改进意见，对避免类似原因造成轴断裂具有一定的工程应用价值。
2 试验过程与结果
2.1 宏观形貌断口的宏观形貌如图1 所示，可见断口面在局部区域已出现锈蚀和污染，断裂发生于轴与内圈配合区，且起始于轴与内圈小端面配合边缘区的外表面处（R 区），以与轴线成45°角方向迅速扩展后形成贯穿开裂。整个断口面分为两层，从表面向内约3.5 mm 范围颜色较暗，心部区域可见明显的金属光泽。断裂面未见明显的疲劳弧线特征，判断属于一次性断裂。
图1 断口的宏观形貌
2.2 断口形貌采用超声波清洗机，用丙酮对断口面进行清洗后，利用ZEISS EVO 18 型扫描电子显微镜（SEM）对断口面的1 区、2 区和3 区（见图1b）进行观察，结果见图2～4 所示。可以看出，断裂源（1区）特征为沿晶脆性断裂，断口面无任何疲劳特征，经放大后观察显示源区无原始裂纹、非金属夹杂或折叠等原始缺陷；表层感应淬火区（2 区）为沿晶 局部准解理混合型断裂特征，裂纹在淬火区域呈人字形向基体快速扩展；心部基体区（3 区）为解理 少量准解理混合型断裂特征。
图2 断裂源的SEM形貌
2.3 显微组织按图1b 所示的虚线在裂纹源区进行取样，制样完成后，用4%硝酸酒精溶液（体积分数）腐蚀观察面，采用Axio Vert.A1 型金相显微镜进行金相组织观察，结果见图5 所示。看出，表层感应淬火区域的金相组织为5 级回火马氏体，且组织均匀性较好，满足感应淬火工艺对金相组织的要求；心部基体组织为细片状珠光体 少量球状珠光体，亦满足等温退火工艺对产品金相组织的要求。
图3 感应淬火区的SEM形貌
图4 基体区的SEM形貌
2.4 化学成分及硬度对零件取样，利用ARL3460型直读光谱仪进行化学成分分析，结果见表1。可以看出，该零件的各元素含量满足GB∕T 699—2015中对65Mn的技术要求。
图5 金相组织
表1 化学成分检测结果 %
利用MH-5L 型显微维氏硬度计对断口面附近R 区的有效硬化层深度（DS）进行测量，结果见图6所示。从距离外表面0.25 mm 处开始测试，测试载荷为1.0 kg，保载时间为10 s，以极限硬度HVHL=558 HV1 来评估其DS 值。得出表面硬度为726 HV1（ 依 据 GB∕T 1172—1999 换 算 为61.3 HRC），DS=1.9 mm，可见表面硬度及 DS 值均满足感应淬火工艺的技术要求，但是DS 偏下限。
图6 断口面附近R区从表面至基体的硬度变化曲线
利用HB-3000型数显布氏硬度计对零件做布氏硬度检测，3次实测值分别为201 HBW、203 HBW和201 HBW，亦满足整体等温退火对基体的硬度要求。
3 分析与讨论
综合上述试验结果可知，该汽车轮毂轴的材质满足65Mn 相关技术要求，其基体热处理质量和轴径表面感应淬火质量均满足产品图纸的技术要求，因此该轮毂轴断裂失效与其热处理质量无关。从断裂面的宏观及微观断裂特征看出，裂纹起始于轴与内圈小端面配合边缘区的外表面处（R区），裂纹源区为沿晶开裂，感应淬火层和基体区都出现了明显的解理断裂特征，整个断口面无任何疲劳特征，说明断裂属于脆性开裂。
同类型的金属材料在常温下的静态拉伸断口一般以韧窝型韧性断裂特征为主，赵卓[9]研究了回火温度对15Cr12MoVN 钢拉伸性能及断裂行为的影响，指出各回火温度下的拉伸断口均呈现韧窝型断裂特征；耿红霞[10]在材料力学拉伸试验后增加断口形貌观察，重点分析了低碳钢拉伸断口存在明显的韧窝特征，并形成宏观意义的杯状断口。与其同时，诸多学者对高应变速率下金属的拉伸性能和断口形貌进行了研究，韩亮亮[11]对不同应变速率下车轮钢的拉伸性能和断口特征进行分析，指出高应变速率下断口呈现韧窝和准解理混合形貌；
牛秋林[12]研究了TC11钛合金在准静态下的拉伸性能，明确提出随着加载应变速率的提高，拉伸断口中韧窝的大小和深度变小，且解理面增加，材料的塑性降低，脆性增加；王怀国[13]研究了AM30 镁合金在高速冲击载荷下的断裂形貌后得出，相对于准静态拉伸，高速拉伸断口的韧窝数量较少，且较浅，说明断口面中塑性断裂所占比例在降低。结合该零件的断裂失效环境及其断口特征，得出车辆出现侧翻后，车轮受到高速的冲击载荷，进而对轮毂轴形成瞬时的超抗拉强度载荷力，导致轮毂轴过载而产生一次性的弯曲脆性断裂。
感应淬火后，轮毂轴外表面由于发生马氏体转变比容增大而形成压应力[14]，同时与内圈过盈配合也给予轴表面一定的压应力，导致与内圈过盈配合的边缘区域存在一定程度的应力集中，且配合区轴径较其余区域小，因此在受到外界冲击载荷时会首先在过盈配合的边缘R 区出现裂纹，进而快速扩展形成整体一次性断裂。
4结论
a.汽车轮毂轴断裂起源于与内圈过盈配合的边缘R 区，断裂性质为一次性弯曲脆性断裂。
b.汽车轮毂轴断裂的原因是，在行驶过程中受到较大的额外冲击载荷之后，由于过载而产生快速脆性断裂，断裂失效与其材质及热处理质量无关。
c.建议针对轮毂轴与内圈配合的R 区，加大其感应淬火有效硬化层深度，同时将零件整体热处理方式由等温退火更改为调质处理，以提高零件的断裂强度。
来源：期刊-《汽车工艺与材料》；作者：操龙飞
（才纵（上海）工程技术有限公司）文章来源：汽车材料网