齿轮破碎失效分析

　　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）.