齒輪傳動是機(jī)器中最常見的一種機(jī)械運動,可實現(xiàn)改變轉(zhuǎn)速、運動方向和運動形式等功能,是機(jī)械產(chǎn)品的基礎(chǔ)零部件[1],齒輪軸是齒輪的重要組成構(gòu)件,其質(zhì)量決定整個齒輪的使用壽命。某齒輪軸主要用作挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)馬達(dá)減速機(jī)的輸出軸,其材料為20CrMnTi鋼,該齒輪軸經(jīng)過鍛造、熱處理、機(jī)械加工后,再對其進(jìn)行磁粉檢測,結(jié)果未發(fā)現(xiàn)裂紋,齒輪軸投入使用約530 h后斷裂。筆者采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、硬度測試、掃描電鏡(SEM)分析以及金相檢驗等方法對齒輪軸斷裂的原因進(jìn)行了分析,以防止該類問題再次發(fā)生。 

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

斷裂齒輪軸的宏觀形貌如圖1所示。在齒輪軸斷裂處截取試樣,將試樣清洗后,再對試樣進(jìn)行觀察,齒輪軸斷口宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知：斷口可見明顯的擦傷及疲勞貝紋線,貝紋線收斂于齒輪軸表面；裂紋源區(qū)斷口呈灰暗色,無明顯金屬光澤,可見齒輪發(fā)生過嚴(yán)重的磨損,整個斷口符合疲勞斷裂的宏觀形貌特征。 

圖  1  斷裂齒輪軸宏觀形貌

圖  2  齒輪軸斷口宏觀形貌

1.2   化學(xué)成分分析

對齒輪軸進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示,由表1可知：齒輪軸的化學(xué)成分符合GB/T 5216—2014 《保證淬透性結(jié)構(gòu)鋼》對20CrMnTi鋼的要求。 

1.3   硬度測試及滲碳層分析

齒輪軸斷口處的硬度測試結(jié)果如表2所示,由表2可知：滲碳層深度為1.25 mm,結(jié)果不符合技術(shù)要求規(guī)定的1.8～2.0 mm。 

1.4   SEM分析

將斷口試樣進(jìn)行超聲清洗,再將其置于掃描電子顯微鏡下觀察,斷口試樣的SEM形貌如圖3所示,由圖3可知：斷口磨損較為嚴(yán)重,可見擦傷及異物覆蓋；斷口擴(kuò)展區(qū)可見二次裂紋；斷口瞬斷區(qū)呈準(zhǔn)解理＋韌窩形貌特征。 

圖  3  斷口試樣的SEM形貌

1.5   金相檢驗

在斷裂源區(qū)截取金相試樣,經(jīng)處理后,將試樣置于光學(xué)顯微鏡下觀察,試樣拋光態(tài)形貌如圖4所示,測得源區(qū)附近的半徑為1.56 mm,而客戶提供的技術(shù)要求是2.50 mm,實際所測半徑小于技術(shù)要求,圓弧面不平滑。形狀尺寸發(fā)生突變會引起受力構(gòu)件局部范圍內(nèi)應(yīng)力增大[2],而齒輪軸斷裂源區(qū)的半徑偏小且圓弧面不平滑增大了該處的應(yīng)力集中程度。 

圖  4  斷裂源區(qū)試樣拋光態(tài)形貌

將斷裂源區(qū)附近的剖面試樣腐蝕,再將其置于光學(xué)顯微鏡下觀察,其顯微組織為回火針狀馬氏體＋顆粒狀碳化物＋少量殘余奧氏體,為正常的滲碳淬回火組織[3],斷裂源區(qū)附近的剖面試樣微觀形貌如圖5所示。 

圖  5  斷裂源區(qū)附近的剖面試樣微觀形貌

2.   綜合分析

斷裂齒輪軸的化學(xué)成分符合GB/T 5216—2014對20CrMnTi鋼的要求；其滲碳層深度為1.25 mm,低于技術(shù)要求規(guī)定的1.8～2.0 mm；斷裂齒輪軸的顯微組織為回火針狀馬氏體＋顆粒狀碳化物＋少量殘余奧氏體,為正常的滲碳淬回火組織。 

斷口可見明顯的疲勞貝紋線,呈疲勞斷裂特征,貝紋線收斂于齒輪軸表面,說明齒輪軸的斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂,斷裂起源于齒輪軸表面。斷口大部分區(qū)域有嚴(yán)重擦傷,無法觀察原始斷口形貌,少量未擦傷區(qū)域可見二次裂紋,為疲勞斷裂的微觀形貌特征,與宏觀分析結(jié)果相符。 

齒輪軸滲碳層的深度不合格,滲碳層的高強(qiáng)度區(qū)面積減小,導(dǎo)致其半徑處抗疲勞性能降低,最終在齒輪軸的使用過程中,在應(yīng)力集中處萌生微裂紋,在后續(xù)的使用過程中,受交變應(yīng)力的作用,裂紋逐漸以疲勞形式擴(kuò)展。 

3.   結(jié)論

齒輪軸半徑小于技術(shù)要求,圓弧不平滑,加上滲碳層的深度不合格,導(dǎo)致在應(yīng)力集中處萌生微裂紋,微裂紋以疲勞形式擴(kuò)展,最終導(dǎo)致齒輪軸斷裂。 

文章來源——材料與測試網(wǎng)