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【失效分析】差速器疲劳测试时开裂

02月,03,2024 | 浏览次数：16275


差速器疲劳测试时开裂


01.测试背景
某公司进行差速器壳体扭转疲劳实验，实验要求：壳体扭转12W次循环，单边循环不换齿一直做到失效，运行到70575循环时，靠近差壳顶部轴颈的半轴齿轮出现裂纹。

差速器制造工艺流程：毛坯-冷切边-抛丸-钻孔-车内孔-车球面、背锥-热处理-磨内孔-磨球面，材质SAE 8620H，不良品如下图所示。
产品开裂照片
产品开裂照片

02.分析流程或实验方案

分析流程 测试项目 测试设备
产品断裂方式及内部缺陷 断口分析 扫描电子显微镜
内部缺陷物质材质 夹杂物成分分析 扫描电子显微镜
确认材料是否符合规格 材质分析 火花放射光谱仪
确认材料的芯部硬度 硬度分析 维氏硬度计
材料的金相组织及夹杂物评级 金相分析 金相显微镜
结果 结果分析 /


03.测试结果

3.1 | 断口分析（SEM）





小结：1#-1区域外表面为沿晶形貌，1#-2、2#、3#、4#基材内部为准解理加韧窝形貌，裂纹源位于齿根部外表面，2#部分位置和4#背面区域存在磨损，3#位置存在夹杂物脱落凹坑和残留油污。断口多处存在疲劳特征，样品整体为脆性开裂。

3.2 | EDS能谱分析（边缘、芯部）
EDS成分分析区域
EDS成分分析区域

成分分析结果见下表(wt%)

谱图
 C O Al Si Ca Cr Mn S Cl Fe Zn 总和
位置1
 1 8.02 / 0.11 0.17 / 0.51 0.90 / / 90.29 / 100
2 6.69 / / 0.32 / 0.55 0.93 / / 91.51 / 100
3 8.32 / 0.20 0.29 / 0.68 0.92 / / 89.59 / 100
位置2
 1 17.96 6.25 0.69 / 0.25 / / / / 74.52 0.33 100
2 24.41 5.99 1.73 0.16 / / / 0.16 / 67.55 / 100
3 83.74 15.04 / / / / / / 0.12 1.1 / 100
4 9.09 / / 0.21 / 0.52 0.93 / / 89.24 / 100

小结：位置1表面沿晶形貌成分未发现明显异常，位置2芯部区域可能为夹杂物或夹杂物脱落后留下孔洞以及油污。

3.3 | EDS能谱分析(截面）
EDS成分分析区域

成分分析结果见下表(wt%)

谱图 C O Al Si S Cr Mn Fe V 总和
1 31.74 9.03 0.10 1.61 0.23 4.84 10.00 42.45 / 100
2 35.99 16.30 / 0.5 / 20.78 12.23 14.00 0.21 100
3 28.89 6.96 0.14 4.33 / 0.26 2.42 57.00 / 100
4 5.44 / / 0.31 / 0.46 0.95 92.84 / 100

小结：对疏松位置和扩展裂纹内进行EDS分析,疏松位置可能存在渗入的油污和夹杂物。

3.4 | 样品材质分析

Sample Points C Si Mn P S Cr Ni Cu Mo Fe

半轴

齿轮

1 0.19 0.28 0.89 0.015 0.013 0.60 0.40 0.016 0.17 97.3
2 0.20 0.28 0.89 0.015 0.013 0.60 0.41 0.017 0.17 97.3
Average 0.19 0.28 0.89 0.015 0.013 0.60 0.41 0.017 0.17 97.3
8620H Spec.
 0.17-0.23 0.15-0.35 0.60-0.95 0.03max 0.04max 0.35-0.65 0.35-0.75 0.35max 0.15-0.25 余量

小结：成分结果表明，工件符合8620H规格。

3.5 | 维氏硬度分析

样品
 芯部维氏硬度（HV0.5）
 HRC
测试点1 测试点2 测试点3 平均值
芯部硬度 375 383 402 387 40.5
客户要求30-45HRC

小结：芯部硬度符合客户提供的规格要求。

3.6 | 夹杂物＋金相组织分析



小结：测试位置夹杂物评级约为D类球类氧化物2.5级，未见其他夹杂物。抛光态下齿轮表面较为疏松存在微裂纹和沿晶扩展裂纹，疏松位置和扩展裂纹位置存在疑似夹杂物。样品表面为渗碳组织，表面为针状马氏体组织和白色颗粒状碳化物，过渡位置为马氏体和沿晶界分布的托氏体组织，芯部组织为马氏体组织和少量铁素体组织。

04.分析讨论
1.金属材料在循环载荷作用时，会使应力集中，导致疲劳开裂；
2.材料内部较多的夹杂物，循环载荷作用时，产生较多微裂纹；

05.结论
样品表面较粗糙且存在微裂纹，非金属夹杂氧化物较多，且样品为渗碳件，在疲劳测试中易在齿根部表面造成应力集中，从而降低疲劳寿命，导致样品发生脆性开裂。

06.改善建议
建议调整材料工艺，减少非金属夹杂物。


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