齿轮破碎失效分析

刘盼盼

摘 要：某小齿轮在使用一段时间后破碎了，利用多种检测手段对其进行分析，包括低倍、化学成分、金相组织等实验。结果表明，小齿轮碎裂起源于齿根表面的严重应力集中型、高名义应力双向弯曲疲劳断裂和过应力冲击脆断，发生断裂是因为齿根未表淬，抗疲劳强度低所致。

关键词：小齿轮；金相组织；裂纹；失效

中图分类号：TH132.41 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）14-0055-02

某公司生产的小齿轮在使用一段时间之后发生碎裂，相关部件也有损坏。该小齿轮的材质为40CrNiMoA，对小齿轮来说，其工艺要求是：锻件毛坯—粗加工—调质—精加工—滚齿—渗碳淬火、回火—磨齿。齿轮轴经过调质渗碳淬火后，芯部韧性好，抗弯强度高，齿面硬度为50～60 HRC，完全能够满足小齿轮在工作时所承受的重载荷。本文通过对失效件进行取样，包括宏观分析、低倍试验分析、化学成分分析和金相分析等实验，研究小齿轮破碎的原因。

1 破碎分析

1.1 宏观观察

现场对破碎小齿轮进行分析，观察到小齿轮已碎裂成多块，主要是沿齿沟方向纵裂，如图1所示。通过观察其中掉下的一整齿的碎块断口可知，断裂起源于齿根，齿根表面粗糙，存在严重应力集中、高名义应力双向弯曲疲劳断裂和过应力冲击脆断，如图2所示。完成对一件较大的4连齿碎块横截面和纵向试块的取样工作，进行下一步实验分析。

实验结果表明，花键处裂纹是疲劳扩散到一定程度后，小齿轮花键部位受到过应力导致的过载碎裂。

2 讨论与分析

小齿轮的化学成分符合成分要求，锻件致密度、均匀性差，锻件整身枝晶偏析粗大的情况较为明显，这表明锻件铸造不佳。表淬组织为3级马氏体，表淬层内无裂纹，这表明表淬温度和冷速控制合理，但是，小齿轮低倍组织和宏观硬度、微观硬度曲线、微观组织都可以确定齿根未表淬，这说明表淬工艺问题严重。齿根未表淬会导致齿根处硬度低、接触疲劳强度低、抗弯曲疲劳强度低，直接导致其在使用过程中弯曲疲劳裂纹在此处萌生、扩展，直至断裂。

3 结论

小齿轮的化学成分符合40CrNiMoA材质的要求，锻件纯净度合格，但是，其致密度、均匀性差，枝晶偏析粗大。

参考文献

[1]孙志，江利，应鹏展.失效分析——基础与应用[M].北京：机械工业出版社，2005.

[2]中国国家标准化管理委员会.GB/T 10561—2005 钢中非金属夹杂物含量的测定—标准评级图显微检验法[S].北京：中国标准出版社，2007.

[3]马惠霞，庞兆夫，黄磊.挖掘机传动轴断裂失效分析[J].兵器材料科学与工程，2009（5）.

〔编辑：白洁〕

Abstract： A small gear， after a period of time in use broken， through a variety of means of detection are analyzed， including the low times， chemical composition， metallographic structure test， results show that， the small gear tooth surface fragmentation originated from serious stress concentration， high nominal stress and biaxial bending fatigue fracture and should be the brittle fracture of tooth impact， not the surface quenching， anti fatigue strength is low due to.

Key words： small gear； metallographic structure； crack； failure

摘 要：某小齿轮在使用一段时间后破碎了，利用多种检测手段对其进行分析，包括低倍、化学成分、金相组织等实验。结果表明，小齿轮碎裂起源于齿根表面的严重应力集中型、高名义应力双向弯曲疲劳断裂和过应力冲击脆断，发生断裂是因为齿根未表淬，抗疲劳强度低所致。

关键词：小齿轮；金相组织；裂纹；失效

中图分类号：TH132.41 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）14-0055-02

某公司生产的小齿轮在使用一段时间之后发生碎裂，相关部件也有损坏。该小齿轮的材质为40CrNiMoA，对小齿轮来说，其工艺要求是：锻件毛坯—粗加工—调质—精加工—滚齿—渗碳淬火、回火—磨齿。齿轮轴经过调质渗碳淬火后，芯部韧性好，抗弯强度高，齿面硬度为50～60 HRC，完全能够满足小齿轮在工作时所承受的重载荷。本文通过对失效件进行取样，包括宏观分析、低倍试验分析、化学成分分析和金相分析等实验，研究小齿轮破碎的原因。

1 破碎分析

1.1 宏观观察

现场对破碎小齿轮进行分析，观察到小齿轮已碎裂成多块，主要是沿齿沟方向纵裂，如图1所示。通过观察其中掉下的一整齿的碎块断口可知，断裂起源于齿根，齿根表面粗糙，存在严重应力集中、高名义应力双向弯曲疲劳断裂和过应力冲击脆断，如图2所示。完成对一件较大的4连齿碎块横截面和纵向试块的取样工作，进行下一步实验分析。

实验结果表明，花键处裂纹是疲劳扩散到一定程度后，小齿轮花键部位受到过应力导致的过载碎裂。

2 讨论与分析

小齿轮的化学成分符合成分要求，锻件致密度、均匀性差，锻件整身枝晶偏析粗大的情况较为明显，这表明锻件铸造不佳。表淬组织为3级马氏体，表淬层内无裂纹，这表明表淬温度和冷速控制合理，但是，小齿轮低倍组织和宏观硬度、微观硬度曲线、微观组织都可以确定齿根未表淬，这说明表淬工艺问题严重。齿根未表淬会导致齿根处硬度低、接触疲劳强度低、抗弯曲疲劳强度低，直接导致其在使用过程中弯曲疲劳裂纹在此处萌生、扩展，直至断裂。

3 结论

小齿轮的化学成分符合40CrNiMoA材质的要求，锻件纯净度合格，但是，其致密度、均匀性差，枝晶偏析粗大。

参考文献

[1]孙志，江利，应鹏展.失效分析——基础与应用[M].北京：机械工业出版社，2005.

[2]中国国家标准化管理委员会.GB/T 10561—2005 钢中非金属夹杂物含量的测定—标准评级图显微检验法[S].北京：中国标准出版社，2007.

[3]马惠霞，庞兆夫，黄磊.挖掘机传动轴断裂失效分析[J].兵器材料科学与工程，2009（5）.

〔编辑：白洁〕

Abstract： A small gear， after a period of time in use broken， through a variety of means of detection are analyzed， including the low times， chemical composition， metallographic structure test， results show that， the small gear tooth surface fragmentation originated from serious stress concentration， high nominal stress and biaxial bending fatigue fracture and should be the brittle fracture of tooth impact， not the surface quenching， anti fatigue strength is low due to.

Key words： small gear； metallographic structure； crack； failure

摘 要：某小齿轮在使用一段时间后破碎了，利用多种检测手段对其进行分析，包括低倍、化学成分、金相组织等实验。结果表明，小齿轮碎裂起源于齿根表面的严重应力集中型、高名义应力双向弯曲疲劳断裂和过应力冲击脆断，发生断裂是因为齿根未表淬，抗疲劳强度低所致。

关键词：小齿轮；金相组织；裂纹；失效

中图分类号：TH132.41 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）14-0055-02

某公司生产的小齿轮在使用一段时间之后发生碎裂，相关部件也有损坏。该小齿轮的材质为40CrNiMoA，对小齿轮来说，其工艺要求是：锻件毛坯—粗加工—调质—精加工—滚齿—渗碳淬火、回火—磨齿。齿轮轴经过调质渗碳淬火后，芯部韧性好，抗弯强度高，齿面硬度为50～60 HRC，完全能够满足小齿轮在工作时所承受的重载荷。本文通过对失效件进行取样，包括宏观分析、低倍试验分析、化学成分分析和金相分析等实验，研究小齿轮破碎的原因。

1 破碎分析

1.1 宏观观察

现场对破碎小齿轮进行分析，观察到小齿轮已碎裂成多块，主要是沿齿沟方向纵裂，如图1所示。通过观察其中掉下的一整齿的碎块断口可知，断裂起源于齿根，齿根表面粗糙，存在严重应力集中、高名义应力双向弯曲疲劳断裂和过应力冲击脆断，如图2所示。完成对一件较大的4连齿碎块横截面和纵向试块的取样工作，进行下一步实验分析。

实验结果表明，花键处裂纹是疲劳扩散到一定程度后，小齿轮花键部位受到过应力导致的过载碎裂。

2 讨论与分析

小齿轮的化学成分符合成分要求，锻件致密度、均匀性差，锻件整身枝晶偏析粗大的情况较为明显，这表明锻件铸造不佳。表淬组织为3级马氏体，表淬层内无裂纹，这表明表淬温度和冷速控制合理，但是，小齿轮低倍组织和宏观硬度、微观硬度曲线、微观组织都可以确定齿根未表淬，这说明表淬工艺问题严重。齿根未表淬会导致齿根处硬度低、接触疲劳强度低、抗弯曲疲劳强度低，直接导致其在使用过程中弯曲疲劳裂纹在此处萌生、扩展，直至断裂。

3 结论

小齿轮的化学成分符合40CrNiMoA材质的要求，锻件纯净度合格，但是，其致密度、均匀性差，枝晶偏析粗大。

参考文献

[1]孙志，江利，应鹏展.失效分析——基础与应用[M].北京：机械工业出版社，2005.

[2]中国国家标准化管理委员会.GB/T 10561—2005 钢中非金属夹杂物含量的测定—标准评级图显微检验法[S].北京：中国标准出版社，2007.

[3]马惠霞，庞兆夫，黄磊.挖掘机传动轴断裂失效分析[J].兵器材料科学与工程，2009（5）.

〔编辑：白洁〕

Abstract： A small gear， after a period of time in use broken， through a variety of means of detection are analyzed， including the low times， chemical composition， metallographic structure test， results show that， the small gear tooth surface fragmentation originated from serious stress concentration， high nominal stress and biaxial bending fatigue fracture and should be the brittle fracture of tooth impact， not the surface quenching， anti fatigue strength is low due to.

Key words： small gear； metallographic structure； crack； failure