【失效分析】汽车齿轮卡圈断裂分析

10月,26,2024 | 浏览次数：4328

        01.测试背景

        客户生产过程中，部分中轴五档齿轮卡圈在装配时发生断裂。客户送检2pcs样品，1#样品为断裂卡圈，2#样品为同批次未使用卡圈，样品如下图1所示。

        卡圈材质为65Mn(成分如下表所示)，板材冲压法制备。

       热处理工艺：加热至830~850℃淬油，回火温度410~430℃，表面经发黑处理，处理过程不接触酸。根据客户要求，对断裂卡圈进行失效分析测试，以期找出其断裂原因。

卡圈化学成分（客户提供，Unit:%）：

65Mn	C	Si	Mn	P	S	Fe
	0.64	0.23	1.10	0.026	0.018	余量

        02.实验方案

分析流程	测试项目	测试设备
形貌观察及成分分析	宏观形貌观察	3D显微镜
	微观截面形貌观察及成分分析	扫描电子显微镜（SEM）+能谱仪（EDS）
切片观察	夹杂物分析	金相显微镜
	金相组织
硬度分析	硬度测试	维氏硬度计
结果	结果分析	/

        03.测试结果

        3.1 宏观形貌观察

        断裂卡圈断面的绝大部分区域(B、C位置)呈亮灰色，且可观察到许多小亮面，周边(A位置)呈深灰色;从侧面照片可以看出，断面平整，无明显塑性变形，说明其整体为脆性断裂。

        3.2 微观形貌观察及成分分析

       1.卡圈断面边缘小区域A位置可观察到少量韧窝，为韧性断裂;其他大面B和C位置呈冰糖状，晶面光滑，且可观察到一些二次裂纹，为沿晶脆性断裂，但也存在少量穿晶断裂。

       2.断面A位置和B位置表面化学成分未见明显异常。

表1-1#样品区域A成分结果（wt%）

Spectrum	C	Mn	Fe
1	8.89	0.62	90.50
2	8.47	1.30	90.23
3	3.22	1.13	95.65

表2-1#样品区域B成分结果（wt%）

Spectrum	C	Mn	Fe
1	3.30	1.39	95.31
2	2.72	1.39	95.89
3	3.09	0.82	96.09

       3.3 切片观察

       1.NG和OK卡圈的基体中均无较大的夹杂物或气孔存在。

       2.NG卡圈断口及基体的金相组织与OK卡圈基体无明显差异，均为保持马氏体位向分布的回火屈氏体。

      3.4 硬度测试

      2个卡圈的硬度无明显差异，且均符合规格要求。

表3-卡圈硬度结果表

样品及规格	HV0.5	转HRC
1#	499	49
2#	497	49
规格要求	/	42-50

       04.分析讨论

       1.NG卡圈断面平整，无明显塑性变形，整体呈脆性断裂。

       2.NG卡圈断面大部分区域呈冰糖状，晶面光滑，为沿晶脆断伴随少量穿晶断裂，且可观察到一些二次裂纹，边缘少部分区域可观察到明显韧窝，为韧性断裂;断面化学成分无明显异常。

       3.NG&OK卡圈基体均无较大的夹杂物或气孔存在，金相组织也无明显差异，均为保持马氏体位向分布的回火屈氏体。

       4.断裂卡圈的硬度符合规格要求，但接近管控上限。

       05.结论

       NG卡圈整体为脆性断裂，发黑处理过程未接触酸，且断口无氢脆特征，排除氢脆可能。断面沿晶断裂位置晶面光滑，无第二相薄片或碳化物存在，金相组织及硬度均无明显异常，排除过烧可能。

       65Mn卡圈中合金元素Mn含量较高，可促使杂质在晶界处偏聚，降低材质韧性;且钢中P含量超过0.020%，也会促使材质脆性增加。同时，卡圈硬度偏高(接近管控上限)，回火温度为410~430℃，较接近第一类回火脆性温度(250~400℃)。

       综上推测其为回火脆性导致的脆性断裂。

       06.改善建议

       1.降低原材料杂质含量

       2.改善热处理工艺(如适当提高回火温度)等。

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