王
(上海市紧固件和焊接材料技术研究所 华 有限公司 检测中心,上海 201901)
摘 要:某分动箱的20CrMnTi钢齿轮在工作过程中发生断裂。采用宏观分析、微观分析、化学 成分分析、硬度测试、硬化层深度测量、非金属夹杂物分析、金相检验等方法对齿轮的断裂原因进行 了分析。结果表明:齿面上残留的加工刀痕导致应力集中,在周期载荷的作用下,疲劳裂纹源首先 在残留的加工刀痕较深处形成,随后裂纹逐渐扩展,最终齿轮发生疲劳断裂。
关键词:齿轮;20CrMnTi钢;断裂;疲劳 中图分类号:TG115.2 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2021)02-0063-04
某企业生产的分动箱齿轮在使用过程中发生断 裂失效。该齿轮材料为20CrMnTi钢,其制造工艺 流程为:原料→锻造→正火处理→粗车→精车→滚 齿→渗碳淬火→低温回火→喷丸→磨内孔端面→磨 齿→ 终 检。 技 术 要 求 齿 轮 表 面 硬 度 为 58~62 HRC,心部硬度为30~43HRC,表面渗碳有效硬化 层深度为0.85~1.25mm。笔者采用一系列检验和 分析对该 20CrMnTi钢齿轮的断裂原因进行了分 析,以期类似事故不再发生。
1 理化检验
1.1 宏观分析
图1为断裂齿轮的宏观形貌,图2为齿轮断口 宏观形貌。由 图 2 可 知,裂 纹 扩 展 区 存 在 放 射 状 条 纹 及 疲 劳 弧 线,可 判 断 此 断 口 为 疲 劳 断 口[1-2]。 根据疲劳断 口 形 貌 特 征,放 射 状 条 纹 收 敛 处 为 疲 劳源以及疲 劳 弧 线 的 内 侧 是 裂 纹 源 的 方 向,而 疲 劳弧线的外 侧 是 裂 纹 扩 展 方 向,可 判 断 出 断 口 的 疲劳源区位置。根据疲劳源区所在位置以及齿轮 断裂方向,可 判 断 出 裂 纹 源 位 于 齿 轮 节 圆 附 近 位 置,裂纹扩展 方 向 是 由 齿 轮 表 面 节 圆 附 近 向 齿 根 扩展。
1.2 微观分析
图3为断齿部分断口的形貌,疲劳源区是最早 生成的断口,疲劳源区表面凹凸不平,比较粗糙,形 成很多台阶,在循环工作载荷的作用下,疲劳源区的 裂纹缓慢扩展,从而连接形成台阶。从疲劳源区断 口可以看出,起始裂纹源位于齿面一直线上,因而可 以称为线源,这个线源为齿面节圆附近的直线段上的 微裂纹,从靠近线源附近齿面加工刀痕来看,线源与 加工刀痕近似平行,加工刀痕的切削痕迹非常明显, 且具有显著的方向性[3-4]。据此判断,疲劳源区的裂 纹最初萌生可能与加工刀痕有关,然后在齿轮的循环 冲击载荷下向齿轮基体逐渐扩展,直至断裂。
1.3 化学成分分析
从断裂齿轮上截取试样进行化学成分分析,结 果见 表 1。该 20CrMnTi钢 齿 轮 的 化 学 成 分 符 合 GB/T3077-2015《合金结构钢》的成分要求。
1.4 硬度测试
按照 GB/T4340.1-2009《金属材料 维氏硬度 试验 第1部分:试验方法》的检测方法检测齿轮表 面和心部硬度,并根据 GB/T1172-1999《黑色金 属硬度及强度换算值》进行换算得到洛氏硬度,结果 见表2。齿轮表面和心部硬度实测值和平均值均满 足齿 轮 表 面 硬 度 58~63 HRC,心 部 硬 度 30~ 43HRC的技术要求。
1.5 硬化层深度测量
按照 GB/T9450-2005《钢件渗碳淬火硬化层 深度的测定和校核》的检测方法从零件表面到维氏 界限硬度值550HV1处(按照 GB/T4340.1-2009 规定)的垂直距离界定渗碳淬火硬化层深度来检测 齿轮侧面渗碳淬火有效硬化层深度[5],结果如图4 所示。可见断裂齿轮侧面渗碳淬火有效硬化层深度 为1.06mm,满足0.85~1.25mm 的技术要求。
1.6 非金属夹杂物分析
沿着图3的断口疲劳源区线源处垂直于齿面加 工刀痕方向截取齿轮部分和断齿部分的横截面试 样,试样经磨制和抛光后,先在金相显微镜下观察试 样横截面疲劳裂纹源附近非金属夹杂物分布情况及 非金属夹杂物类型和形态,再在扫描电镜(SEM)下 用能谱(EDS)仪定性和定量分析非金属夹杂物,结 果如图5和图6所示。由图5和图6可知,疲劳裂 纹源附近没有明显聚集的非金属夹杂物,疲劳裂纹 源附近区域和远离疲劳裂纹源区域主要分布的是 Ti(CN)颗粒。
1.7 金相检验
图7为断裂齿轮表层和心部的显微组织形貌。 可见齿轮表层显微组织为高碳马氏体+少量残余奥 氏体,马氏体等级为3级,残余奥氏体等级为1级,齿 轮心部显微组织为低碳马氏体,马氏体等级为2级。
2 分析与讨论
从断裂齿轮宏观断口形貌可以看出,裂纹扩展 区存在放射状条纹及疲劳弧线,可判断此断口为疲 劳断口。从疲劳源区断口宏观形貌可以看出,起始 裂纹源位于齿面一直线上,可以称为线源,而线源与 加工刀痕近似平行。断裂齿轮的化学成分、表面及 心部硬度、侧面渗碳淬火有效硬化层深度均满足技 术要求,且断裂齿轮断口疲劳裂纹源附近并没有明 显聚集的非金属夹杂物。 对于齿轮类摩擦副来说,加工刀痕所造成的齿 面微观面积减小,齿面的接触压力加大,应力集中必 然随之增大,对于齿轮的疲劳寿命会产生不利影响。
由上述分析可知,齿轮的疲劳断裂主要源于齿 面上残留加工刀痕形成的应力集中,在齿轮的循环 冲击载荷下,在较深的加工刀痕处容易产生微裂纹 而形成裂纹源,并向齿轮基体逐渐扩展,直至断裂。
3 结论及建议
齿轮发生疲劳断裂的主要原因是齿面残留加工 刀痕导致应力集中,在周期载荷作用下,疲劳裂纹源 首先在残留加工刀痕较深处形成,随后裂纹逐渐扩 展,直至断裂。 在齿轮的制造过程中,应降低齿轮表面的粗糙 度,强化齿根强度,控制残余加工刀痕对齿轮齿根强 度的影响,提高齿轮的疲劳寿命。
来源：材料与测试网