高速齿轮轴断裂原因分析

刘浩波 王长健

(1.海军驻昆明地区军事代表办事处，云南650031；2. 四川建筑职业技术学院，四川618013)

某公司生产的720 mm管轧机主减速机在使用8个月后，其高速齿轮轴出现断裂。该高速齿轮轴材质为42CrMo。为确定高速齿轮轴断裂原因，对高速齿轮轴进行了试验分析。断裂齿轮轴外貌见图1。

图1 断裂齿轮轴外貌Figure 1 Appearance of the broken gear shaft

1 试验方法

将送检的断裂齿轮轴断口面进行清洗，观察断口宏观形貌。切取横向低倍试片，观察齿轮轴横向低倍组织形貌。在低倍试片裂纹处切取高倍试样，观察裂纹微观形态。

2 检验结果

2.1 宏观断口分析结果

断口经清洗后观察发现，断口主要分为3个部分，即瞬时断裂区、扩展区和断裂源区，断口宏观形貌见图2。断裂源区位于齿轮轴中心附近，呈椭圆形，整个断裂源区有明显的以断裂源为中心的向四周发散的断裂纤维，并且断裂源区与扩展区具有明显的、清晰的边界。断裂源从宏观上观察实为断裂源区内的一个点，即为点断裂源，见图3。扩展区细致，并在扩展区边缘有明显的疲劳扩展贝壳纹，如图2中的箭头所示。瞬时断裂区断面粗糙，位于齿轮轴边缘。

2.2 低倍检验结果

齿轮轴横向试片切成4块，其低倍组织形貌见图4。该齿轮轴点状偏析严重，按GB1979—2001标准评定，一般点状偏析为2.0级，其中一块低倍试片有长约20 mm的裂纹。

2.3 高倍检验结果

在裂纹处切取高倍试样，磨制后未经腐蚀观察，裂纹曲折，其形貌见图5。经4%硝酸酒精溶液腐蚀后观察，齿轮轴显微组织为珠光体+铁素体，裂纹穿过现有组织，见图6。

2.4 电镜分析结果

在断裂源区切取电镜分析试样，分别观察扩展区、断裂源区以及点断裂源处的形貌，均为准解理，见图7。

图2 宏观断口形貌Figure 2 Macroscopic appearance of fracture

图3 断裂源区局部放大Figure 3 Local amplification of fault source zone

(a)(b)

(c)(d)

图4 横向低倍组织形貌
Figure 4 Macroscopic appearances of horizontal structures

图5 裂纹微观形貌 ×50Figure 5 Microscopic appearance of crack ×50

图6 裂纹与现有组织 ×500Figure 6 Crack and existing microstructure ×50

图7 断裂源区微观形貌 ×1000Figure 7 Microscopic appearance of fracture source zone ×1000

3 分析

3.1 从宏观断口形貌来看，扩展区有明显的疲劳扩展贝壳纹。从齿轮轴的使用情况来看，它使用仅8个月就发生断裂，这就是说，该齿轮轴断裂性质为典型的低周快速疲劳断裂。

3.2 断裂源区和扩展区具有明显的、清晰的边

界，从宏观上表现为明显不同的断裂形态，这就说明，断裂源区和扩展区产生于不同时期。扩展区为齿轮轴使用过程中疲劳扩展而形成的，断裂源区在扩展区之前就已形成，这就是说，断裂源区就是齿轮轴内部存在的原始裂纹。电镜分析结果可知，断裂源区微观形态为准解理，即为穿晶形态，从裂纹与组织的关系看，裂纹穿过现有组织，这说明，原始裂纹是在最终热处理(淬火或正火)后的冷却过程中，或之后室温放置时间过长使齿轮轴锻件内部残余应力过大所致。断裂源区的断裂源是一个点，并以断裂源为中心，有向四周发散的断裂纤维，而电镜下观察点断裂源处并未发现夹渣等冶金缺陷，这进一步说明齿轮轴内部原始裂纹为内应力所致的应力裂纹。

4 结论

该42CrMo高速齿轮轴断裂性质为低周快速疲劳断裂，它产生的原因是由于锻件内部存在原始裂纹所致。而这原始裂纹又是由于齿轮轴内部残余应力过大所致。