Engineering Failure Analysis 13 (2006) 1293–1302
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Fatigue failure of a rear axle shaft of an automobile
Osman Asi *
Department of Mechanical Engineering, Usak Engineering Faculty, Afyon Kocatepe University, 64300 Usak, Turkey
Received 26 August 2005; accepted 31 October 2005
Available online 2 February 2006
Abstract
This paper describes the failure analysis of a rear axle shaft used in an automobile which had been involved in an acci-dent. The axle shaft was found to break into two pieces. The investigation was carried out in order to establish whether the failure was the cause or a consequence of the accident. An evaluation of the failed axle shaft was undertaken to assess its integrity that included a visual examination, photo documentation, chemical analysis, micro-hardness measurement, ten-sile testing, and metallographic examination. The failure zones were examined with the help of a scanning electron micro-scope equipped with EDX facility. Results indicate that the axle shaft fractured in reversed bending fatigue as a result of improper welding.
2005 Elsevier Ltd. All rights reserved.
Keywords: Axle shaft; Reversed bending fatigue; Welding; Failure analysis
1. Introduction
All vehicles have some type of axle shaft-differential assembly incorporated into the driveline. Rear wheel drive is a common form of engine-transmission layout used in automobiles. Understand that rear wheel drive means the power from the engine and the transmission goes to the rear wheels.
In automobiles, axle shafts are used to connect wheel and differential at their ends for the purpose of transmitting power and rotational motion. In operation, axle shafts are generally subjected to torsional stress and bending stress due to self-weight or weights of components or possible misalignment between journal bearings. Thus, these rotating components are susceptible to fatigue by the nature of their opera-tion and the fatigue failures are generally of the torsional, rotating-bending, and reversed (two-way) bend-ing type [1]. Fatigue failures start at the most vulnerable point in a dynamically stressed area particularly where there is a stress raiser. The stress raiser may be mechanical or metallurgical in nature, or sometimes a combination of the two. Mechanical stress raisers are non-uniformities in the shape of the shafts such as step changes in diameter, sharp corners, keyways, grooves, threads, splines, press-fitted or shrink-fitted
- Tel.: 90 276 2634195; fax: 90 276 2634196. E-mail address: osmanasi@aku.edu.tr.
1350-6307/$ - see front matter 2005 Elsevier Ltd. All rights reserved. doi:10.1016/j.engfailanal.2005.10.006
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members and surface discontinuities like seams, nicks, notches and machining marks. Metallurgical stress raisers may be quench cracks, corrosion pits, gross metallic inclusions, brittle second-phase particles, weld defects, or arc strikes [1]. Also, the microstructure of the shaft material plays a vital role not only in the initiation of fatigue failures but also during the progressive growth of the fatigue crack to cause failure of the component.
In the present study, a rear wheel drive axle shaft used in an automobile has been examined after fail-ure, which resulted in the vehicle suddenly pulling right and crashing into a tree near the road. Significant impact damage was caused to the vehicle. When the vehicle was examined it was found that the rear wheel drive axle shaft had broken into two pieces close to the wheel hub. The vehicle was reported to be approximately nine years old. The general appearances of the failed axle shaft in the as-received con-dition are shown in Fig. 1. A schematic diagram of joint configuration and location of fracture is shown in Fig. 2.
2. Experimental procedure
The failed axle shaft was inspected visually and macroscopically; care was taken to avoid damage of frac-tured surfaces. The failed axle shaft was subjected to optical microscopy, photo documentation, chemical analysis and micro-hardness measurement both at the failure zone and away from the failure zone. The frac-tured surfaces were ultrasonically cleaned and examined with the help of a scanning electron microscope (SEM) equipped with EDX facility. Conventional tensile tests carried out on specimens machined from the failed axle shaft.
Fig. 1. (a) General view of the failed axle shaft in the as-received condition. (b) Close-up of fracture location.
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Fig. 2. Schematic diagram of joint configuration and location of fracture.
3. Results and discussion
Visual examination showed that there were two fillet welded region between the axle shaft and the bearing locking ring, as shown in Fig. 3. The bearing locking ring was probably fixed to the axle shaft at two region by gas welding process during repairing or maintenance of the vehicle (not contained in the original design) to secure the roller bearing moving axially along the axle shaft as more clearly illustrated in Fig. 2. Whereas, roller bearings and bearing locking rings must be press-fitted or shrink-fitted onto the axle shaft seat. Also, visual examination of the axle shaft revealed that the fracture had been initiated close to the welded areas. This fracture location is to be expected because the highest stress concentration and high residual stress would be anticipated to occur in this region [1,2].
Typical
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工程失效分析13（2006）1293-1302
汽车后桥半轴疲劳失效
奥斯曼 阿西
土耳其乌沙克 64500 乌沙克工程学院机械工程系
乌沙克工程学院，阿弗伦扩卡特陪大学，乌沙克64500土耳其
2006年2月2日在线提供
摘要
本文进行了使用中的汽车发生事故时后轴的故障分析。把车轴破坏分成两部分。调查是为了确定事故的原因或结果。对失效的轴杆进行评估以评估其失效，完整性包括视觉检查，照片文件，化学分析，显微硬度测量，拉伸测试和金相检验。借助于扫描电子显微镜检查破坏区域。配备荧光分析设施。结果表明，由于焊接不当，导致轴轴反向弯曲疲劳断裂。
关键词：轴;反向弯曲疲劳;焊接;故障分析
1. 绪言
所有车辆都有一些类型的车轴 - 差速器总成纳入动力传动系统。后轮驱动是汽车中常用的发动机传动布局。了解后轮驱动意味着来自发动机的动力经过变速器进入后轮。在汽车中，半轴的目的为连接车轮和差速器进行传输动力和旋转运动。在操作中，车轴通常受到扭转由于自重或组件的重量或可能的错位导致的应力和弯曲应力施加于轴颈轴承上。因此，这些旋转部件由于其操作性质而容易疲劳并且疲劳失效通常是扭转，旋转弯曲和颠倒（双向）弯曲[1]。特别是疲劳失效始于动态应力有应力提升区域的最脆弱点。压力提升机本质上可能是机械或冶金的，或者有时是两者结合。机械应力提升器的轴形状不均匀，例如直径，尖角，键槽，凹槽，螺纹，花键，压入式或热缩式步进变化
构件和表面不连续处，如接缝，刻痕，凹槽和加工痕迹。冶金压力提升机可能是淬火裂纹，腐蚀坑，金属夹杂物，脆性第二相颗粒，焊缝缺陷或电弧罢工。而且，轴材料的微观结构不仅在疲劳失效的开始中起着至关重要的作用，而且在疲劳裂纹的逐渐增长的过程中组件导致失效。在本研究中，用于汽车的后轮驱动车轴在故障后已经被检查，导致车辆突然右侧撞向路边的一棵树上。重大对车辆造成冲击损伤。当车辆被检查时发现后部四轮驱动车轴在轮毂附近分成两部分。据报车辆车龄为9年。在收到状态下出现故障的车轴的一般外观如图1所示。在图2中显示了骨折的关节结构和位置的示意图。
2.实验过程
对失效的轴进行肉眼和宏观检查;小心采取了避免破裂的破坏表面。失效的轴杆受到光学显微镜，照片文件，化学品的影响分析和显微硬度测量都在故障区和远离故障区。破碎的用扫描电子显微镜进行超声波清洁并检查表面（SEM）配备荧光分析设备。对从机器加工的样品进行常规拉伸试验失效的车轴。
滚子轴承
轴承锁止环
图1.（a）故障车轴在为经过任何处理的状态下的总体视图。（b）裂缝位置特写。
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3．结果与讨论
断裂位置
半轴
轴承锁止环
图2.联合配置和断裂位置的示意图。
如图3所示。轴承锁定环很可能被两个区域固定在车轴上汽车修理或维修过程中的气体焊接过程（未包含在原始设计中）如图2中更清楚地示出的那样，保证滚动轴承沿轴向轴向移动。然而，滚柱轴承和轴承锁定环必须压配合或收缩配合到车轴座上。目视检查车轴表明断裂已经开始靠近焊接区域。由于最高的应力集中和高的残余应力，这种断裂位置是可以预料的预计会发生在这个地区[1,2]。典型的宏观断裂失效的轴的外观如图4所示失效的轴杆表现出热影响区域（HAZ），裂纹起始点（见标记A和B）是渐进的平坦的疲劳断裂区域（FF）以及由过载产生的最终断裂区域（OL），如图所示图4.在低应力条件下，断裂似乎是典型的反向弯曲疲劳高应力集中[3]。最终骨折区位于疲劳传播的两个区域之间表明存在弯曲力。最终断裂的表面积大约为15％总断裂面表明车轴不超载。此外，这表明失败是高周期低应力类型。断裂表面的检查揭示了裂纹起源于驱动轴杆外表面上大约180L间隔的两个位置，并向中心传播。用肉眼可以清楚地看到裂纹萌生区域。裂缝的起源位于靠近焊接区域的表面处。在断面上可以清楚地观察到海滩痕迹，这是疲劳失效的典型特征[3]。
图2.联合配置和断裂位置的示意图。
焊接
焊接
图3.光学照片显示故障车轴中的焊接区域。
热影响区
图4.故障车轴的典型宏观断裂外观。 裂纹表面显示裂纹萌生位置（A，B），疲劳破坏区域（FF）和最终过载断裂区域（OL）的热影响区。
进行使用光谱仪试验机的化学分析，结果在表1中给出。表1中也包括AISI 4140钢的组成范围。失效的轴的化学成分与AISI的相同 4140（42CrMo4）钢。
使用维氏硬度试验机，在500Z载荷下，在热影响区表面层中，在不受焊缝影响的表面层中和在芯中测量显微硬度分布，准备样品的抛光和无网表面 接近断裂区域，结果如图5所示。核心的硬度值测得为285维氏硬度。 频谱分析和显微硬度测量表明，失效的轴杆表面具有硬化和回火。 车轴通常是感应式
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表格1 |
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发生故障的轴和AISI 4140钢的化学成分 |
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成分 |
轴失效 |
AISI 4140钢（个别数值为最大值） |
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%C |
0.412 |
0.38–0.43 |
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%Si |
0.219 |
0.15–0.35 |
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%Mn |
0.856 |
0.75–1.00 |
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%Cr |
0.988 |
0.80–1.10 |
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%Mo |
0.157 |
0.15–0.25 |
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%S |
0.0091 |
0.040 |
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%P |
0.016 |
0.035 |
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硬度, 维氏硬度 |
600
550
500
450
400
350
300
不受焊接影响的区域
热影响区
0 1 2 3 与表面的距离，毫米
图5.热影响区和不受焊缝影响的区域的硬度分布。
硬化以提供适当的硬度和表壳深度。在不受焊缝影响的区域，硬度值在AISI 4140钢的范围内。
显微硬度测量表明，热影响区的硬度低于焊缝未受影响区域的硬度。众所周知，硬化和回火条件下的钢材焊接不推荐使用，应尽可能避免，因为机械性能将在焊接热量 - 影响区域内发生变化。例如，热影响区通常包含硬度低于母材硬度的区域，从而由于所谓的冶金切口而在轴中产生应力。为了减小这些应力，材料应在焊接后缓慢冷却，然后使用稍低于原始回火温度的温度立即回火[1]。
拉伸试验采用5毫米规格直径和25毫米标准长度的圆形试样，沿轴向（纵向）从失效轴的中心制造。结果列于表2，表明其力学性能符合技术要求[4]。
在发生故障的车轴上进行光学金相分析。通过研磨和抛光制备用于光学显微镜复制的样品，并对其进行蚀刻。图6显示了热影响区，焊接区和核心区未受影响区域的失效轴的显微组织。虽然焊缝未受影响的区域呈现回火马氏体结构，但热影响区具有回火贝氏体 马氏体结构和夹杂物。包含在焊接金属中的原因与焊接工艺和焊接工艺有关[2]。核心微观结构是珠光体 铁素体结构。
表2
失效的轴和AISI 4140钢的机械性能
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材料 |
屈服强度（MPa） |
拉伸强度（MPa） |
伸长率（％） |
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轴失效 |
770 |
1060 |
12 |
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AISI 4140钢 |
gt;765 |
980–1180 |
gt;11 |
图6失效车轴的光学显微照片显示：（a）不受焊缝影响的区域中的回火马氏体结构; （b）在HAZ中回火的贝氏体 马氏体组织和夹杂物和（c）在芯中的珠光体 铁素体组织。 （b）中的箭头表示内含物（200bull;）。
在扫描电子显微镜（SEM）的帮助下检查断裂表面以表征断裂微观机制。在断口表面出现两个主要的裂纹萌生点。在图7中以不同的放大倍数显示了图4中由A标记的HAZ和裂纹萌生区域的放大视图。如图7所示，热影响区（HAZ）对故障原因有影响。裂纹几乎可以肯定从焊接区域开始。这是因为在这个位置存在高残余应力和非常差的应力集中[1,3,5]。可以看出，断口表面有棘轮痕迹。棘轮标记的出现表明多个起点和相对较高的总应力。
图7在不同的放大倍数下HAZ的放大图和由图4中A标记的裂纹萌生区域。请注意棘轮标记的存在表示多个起点和相对较高的总应力。
棘轮痕迹可能来自零件高应力或高应力集中。许多棘轮痕迹和一个小超载区的组合表明负载很轻，但有很高的应力集中[3]。
半定量化学分析通过在断裂表面上附着SEM的荧光分析进行，以定性确定轴杆化学性质并验证任何其他相关组分的存在。如图8（a）所示，扫描电镜检查发现裂纹萌生区附近的表面存在一些夹杂物。图8（b）显示了这些包含在图8（a）中的白盒区域的荧光分析分析图。如图所示，这些夹杂物的主要元素是O，Ca，Si，Al和Mg，它们不包含在原始材料（除Si）中。所以夹杂物的主要化学组成可能是SiO2-CaO-Al2O3-MgO。这些部件经常出现在钢材焊接位置不正确的情况下。这些也起到了破解的作用
每秒计数/1000电子伏特
氧
钙
硅
镁
铝
铁
碳
1000电子伏特
图8.（a）SEM显微照片显示了断口表面的夹杂物。 （b）矩形区域的荧光分析结果。
积分和在目前的情况下可以是一个附加因素。 大多数夹杂物是在2500-1800K范围内的焊接冷却过程中形成的氧化物。夹杂特征如平均组成，体积分数，尺寸和氧化物形成顺序取决于焊接金属成分和焊接工艺[2，6]。
图9显示了由图4中FF标记的渐进式平坦疲劳断裂区域。这些疲劳外观是钢在弯曲和扭转应力共同作用下的特征。 图10显示了图4中由OL标记的最终过载断裂区域的典型断裂特征。可以看出，断裂完全由易碎裂面组成，反映了材料的低韧性[3]。
图9显示了图4中由FF标记的裂纹扩展区域的SEM显微照片。
图10. SEM显微照片，显示图4中由OL标记的最终过载断裂区域。注意具有河流图案和劈理步骤的经典解理面。
从以上观察可以看出，疲劳裂纹已经在应力集中点处开始，导致轴杆断裂。一般来说，花键轴部分会发生断裂。这是因为最大诱导应力是样条的根源[7]。但是，如果焊接区域严重不足，则不仅会导致高应力集中，而且会在短时间内引起疲劳裂纹萌生。当局部应力超过材料屈服强度时，可能形成疲劳裂纹。由于钢的抗疲劳开始与其屈服强度成比例，所以在这种情况下钢的低性能使其对疲劳开始处于开放状态。最终过载断裂面积很小，约占总面积的15％，表明材料足以承受应力。
检查失效的车轴还显示没有使用预热和后加热。 HAZ中较低的硬度值以及靠近裂纹萌生区的夹杂物形成支持了这一假设。而为了控制热影响区的硬度水平并尽量减少残余应力，必须在焊接中碳钢之后进行焊接和后热处理之前的预热处理。此外，由于夹杂物的形成，冷却速率必须更仔细。
4 结论
本研究是在汽车中
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