发动机是汽车的心脏，发动机产生的动力必须经过传动系统才能驱动车轮转动，而传动系统的心脏则是变速器，变速器分为手动变速器（MT）、自动离合变速器（AMT）、自动变速器（AT）、无级变速器（CVT）和双离合变速器（DCT/DSG）等几种类型。而手动变速器主要由操纵换档机构，齿轮，壳体，同步器机构等180个左右零件组成，每台变速箱基本上用到5个左右的卡环，作为变速箱的一个小紧固件，卡环主要功能是调整间隙，固定齿轮、齿毂、轴承等零件，一旦失效，相对应的其他零件就会串动，导致整个变速箱失效，汽车无法工作。

1.情况描述

本文对变速箱进行总成耐久性试验，检测零部件使用寿命情况。试验测试过程中，台架发现振动超差，立即停止试验，拆箱检测后，发现齿轮接触异常，卡环发生断裂。卡环材料为弹簧钢60Si2MnA，卡环工艺：退火钢板→下料→冲压→淬回火→切口→双面磨削→振动去毛刺→磷化→检验→包装→发货，卡环淬回火既能保证表面耐磨性和强度，也能保证韧性。

2.结果与讨论

（1）宏观分析

由图1可知，发生断裂卡环的其他位置严重磨损。

图1  断裂的卡环    

由图2可知，在右侧裂纹源端附近存在冲压工艺留下的撕裂坑，虚线箭头方向为裂纹扩展方向。

 图2  卡环的断口宏观形貌

（2）化学成分分析

根据本文所选材料60Si2MnA，采用能谱分析仪对卡环的进行材料化学成分检测，其检测结果如附表所示，卡环材料化学成分均符合GB/T 1222《弹簧钢》的技术要求。

卡环的材料化学成分（质量分数）  （%）

（3）硬度分析

采用维氏硬度计对断裂失效的卡环测量其基体硬度，检测前先用标准试块进行校准，技术要求为540～610HV，实测576HV、588HV、569HV，说明热处理后硬度满足要求。

（4）金相组织分析

对断裂卡环的断口进行金相取样，经镶嵌、打磨、抛光、腐蚀后，应用光学显微镜进行显微金相组织检测，由图3可知，热处理后的金相组织为马氏体+残留奥氏体，符合技术要求。

图3  基体组织（500×）

（5）断口分析

采用扫描电子显微镜SEM（EVO18）对断口进一步分析，图4为卡环断口裂纹源形貌图，断口存在弧形应力扩展台阶（见图4a），此处断口较平整，呈现放射状条纹，放射源即为裂纹源（见图4b），对此处采用能谱进行检测（见图4c），应力台阶处谱图1部位被检测出含有17.9%的氧，不含磷，而谱图2部位（非应力台阶区域）含氧量为0，这表明卡环磷化后某个过程中已产生裂纹，卡环在疲劳耐久试验过程中继续受到轴向力的情况，裂纹进一步扩展，断口呈现出沿晶和穿晶断裂，如图5所示，最终零件在断裂源的另外一侧完全断裂开来，如图6所示，断口存在大量韧窝。

（a）300×

（b）1000×

（c）能谱检测区域

图4  卡环断口裂纹源SEM形貌

（a）500× 

 （b）2000×

图5  卡环断口扩展区SEM形貌

（a）500× 

（b）2000×

图6  卡环断口瞬断区SEM形貌

3.结语

卡环断裂是由于内部存在原始裂纹，在试验时，成为裂纹源，促使裂纹沿原始裂纹方向扩展而导致断裂。