齒輪傳動是機器中最常見的一種機械運動,可實現改變轉速、運動方向和運動形式等功能,是機械產品的基礎零部件[1],齒輪軸是齒輪的重要組成構件,其質量決定整個齒輪的使用壽命。某齒輪軸主要用作挖掘機回轉馬達減速機的輸出軸,其材料為20CrMnTi鋼,該齒輪軸經過鍛造、熱處理、機械加工后,再對其進行磁粉檢測,結果未發現裂紋,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行了分析,以防止該類問題再次發生。

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；裂紋源區斷口呈灰暗色,無明顯金屬光澤,可見齒輪發生過嚴重的磨損,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 化學成分分析

對齒輪軸進行化學成分分析,結果如表1所示,由表1可知：齒輪軸的化學成分符合GB/T 5216—2014 《保證淬透性結構鋼》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果如表2所示,由表2可知：滲碳層深度為1.25 mm,結果不符合技術要求規定的1.8～2.0 mm。

1.4 SEM分析

將斷口試樣進行超聲清洗,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：斷口磨損較為嚴重,可見擦傷及異物覆蓋；斷口擴展區可見二次裂紋；斷口瞬斷區呈準解理＋韌窩形貌特征。

圖 3斷口試樣的SEM形貌

1.5 金相檢驗

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

圖 4斷裂源區試樣拋光態形貌

將斷裂源區附近的剖面試樣腐蝕,再將其置于光學顯微鏡下觀察,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],斷裂源區附近的剖面試樣微觀形貌如圖5所示。

圖 5斷裂源區附近的剖面試樣微觀形貌

2. 綜合分析

斷裂齒輪軸的化學成分符合GB/T 5216—2014對20CrMnTi鋼的要求；其滲碳層深度為1.25 mm,低于技術要求規定的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為疲勞斷裂,斷裂起源于齒輪軸表面。斷口大部分區域有嚴重擦傷,無法觀察原始斷口形貌,少量未擦傷區域可見二次裂紋,為疲勞斷裂的微觀形貌特征,與宏觀分析結果相符。

齒輪軸滲碳層的深度不合格,滲碳層的高強度區面積減小,導致其半徑處抗疲勞性能降低,最終在齒輪軸的使用過程中,在應力集中處萌生微裂紋,在后續的使用過程中,受交變應力的作用,裂紋逐漸以疲勞形式擴展。

3. 結論

齒輪軸半徑小于技術要求,圓弧不平滑,加上滲碳層的深度不合格,導致在應力集中處萌生微裂紋,微裂紋以疲勞形式擴展,最終導致齒輪軸斷裂。

文章來源——材料與測試網