齿轮失效分析实例

齿轮失效分析实例

齿轮是传递运动和动力的一种机械零件。齿轮的类型以及特点不仅可决定齿轮的运转特性，并且也决定了它是否会过早地失效。

齿轮失效的类型可划分为四种：

(1)磨损失效，是指轮齿接触表面的材料损耗；

(2)表面疲劳失效，是指接触表面或表面下应力超过材料疲劳极限所引起的材料失效。进一步又可分为初始点蚀、毁坏性点蚀和剥落。

(3)塑性变形失效，是指在重载荷作用下表面金属屈服所造成的表面变形。它又可进一步分为压塌和飞边变形、波纹变形和沟条变形。

(4)折断失效，是指整个轮齿或轮齿相当大的一部分发生断裂。可以进一步分为疲劳折断、磨损折断、过载折断、淬火或磨削裂纹引起的折断等。

本章主要介绍变速箱齿轮及被动齿轮的失效分析实例，供读者参考。

变速箱齿轮失效分析

1.45号钢齿坯裂纹分析

45号钢齿坯，由φ80mm圆钢落料后直接粗车成外径为φ78mm的柱体形状。其化学成分为：C：0.49％，Mn: 0.68％，Cr<0.2％。热处理工艺过程：在X—45箱式电炉中加热，到温度(820℃)装炉，装炉量109只，保温时间为一小时(工件达到温度后计算时间)，工件用盐水冷却(冷却液不循环)，水温20~30℃。回火温度为520~530℃(零件淬火后隔天回火)。经车削后，发现零件内孔平面和内孔上有较多裂纹，如图1和2所示。

图1 OPI 图象说明：

零件实物经SM-3R型渗透剂着色探伤后宏观形貌。经肉眼与放大镜观察，在齿坯内孔平面与内孔中有距离大致相等的5~6处较长的裂纹，裂纹均由内孔之平面与孔交界处为起始分别向内孔壁与平面扩展；内孔平面上和内孔交界处加工纹路明显且尖锐。

图象说明：

内孔平面试样作金相观察，有

数条裂纹交叉分布，其内充满氧化皮

夹杂。其微观裂纹长度不等，分别为

0.63mm,0.29mm,0.23mm及0.19等。

图2 OMI 200×

2．汽车变速箱齿轮失效

失效齿轮为载重汽车变速箱一挡齿轮，由渗碳钢制造，在进行台架试验时，未达到设计要求就发生断齿现象。

根据断口的形貌可断定该齿轮的断裂为高应力作用下引起的快速断裂。主动齿轮心部断口基本为韧窝，被动齿轮具有准解理断裂形貌，说明主动齿轮韧性较好，但强度较低。显微硬度证实了主动齿轮硬度较被动齿轮低。两只齿轮渗碳层中均有网状渗碳体析出，这将使表层韧性较低，致使在运转过程经受不了启动冲击应力的作用。本次断裂事故是由主动齿轮先断裂，进而引起被动齿轮崩齿，故在被动齿轮上还能看到碰伤的痕迹。因此，可以认为齿轮失效的原因为渗碳工艺控制不当（热处理不当）而引起断齿。

变速箱一挡齿轮发生断齿后的宏观实物如图3所示。主动齿轮及被动齿轮断齿后的宏观断口形貌见图4所示。

图象说明：

变速箱齿轮发生断齿后的宏观

实物形貌。

图3 OPI

图4 OPI

图象说明：

被动齿轮的断口形貌。沿齿根断裂，断口形貌与主动齿轮断口相似，断齿附近几个齿不同程度都发生小块崩裂及碰伤。

3．车床变速箱齿轮失效

发生失效齿轮的车床为日本制造，齿表层为渗碳处理，使用已达30多年，使用过程中发生断齿现象，事故现场检查发现在加工工件时切削进刀量过大。断口形貌如图5所示。

齿轮断口属于高应力作用下的快速断裂。齿根边缘断口呈现韧窝和沿晶断裂特征，是与渗碳层中沿晶析出的碳化物及晶界处碳浓度较高有关。对微观组织与材料检查结果均属正常。对损坏齿轮进行检验分析后可以断定，所有断齿断口都属本次事故中形成的新裂纹。而对现场检查结果发现，工件上留有相当多的、很深的切削车刀痕，由此可说明，齿轮主要是由于制造工艺不当，引起应力集中而破断。

图5 OPI 图象说明：

齿轮断口宏观形貌。整只齿轮有7个断齿，裂源均产生于齿根，断口边缘两侧较平坦，中间较粗糙，并能观察到小刻面特征。前6个齿的宏观形貌基本相同，第7齿可观察到塑性变形特征，其形貌呈剪切唇状。

4．L-B号远洋货轮变速箱齿轮轴的断裂失效

进口新造远洋货轮从试航到服役共运行三十六天，在正常航行途中，于1986年12月19日突然发生变速箱齿轮轴断裂。齿轮部分直径为φ=500mm，齿宽360mm，齿轮轴在齿轮中间部位沿径向断成两截。

齿轮轴材料为20CrMnMo钢。根据国外制造厂家提供资料，齿轮轴为整体锻造而成，表面经硬化处理。其断裂部位见图6，宏观断口全貌见图7。据此可见，齿轮轴是疲劳断裂，明显的疲劳痕在牙齿上，见图8，它是图7大箭头a所指牙齿的放大。

齿轮轴断裂主要在于材料本身质量不良所致。冶金缺陷如未经锻合的铸造内裂，组织偏析，夹杂物沿晶分布，都是造成零件脆断的主要因素。牙齿表面合金化处理时，淬火后回火不足之组织应力，热处理时的热应力未充分消除也是引起裂纹的重要因素。未经消除的铸造缺陷在内外应力作用下，容易成为扩展裂纹，故牙齿部分首先产生疲劳，再加上齿轮轴内部存在的多达百条内裂纹，因此迅速发生瞬间脆断。

图象说明：

断裂部位如白色箭头所指。黑

色箭头所指的是在齿轮轴断裂之

后，由于齿轮箱内零部件相互撞击，

使牙齿部分变形歪扭、断裂。断裂

齿轮与轴颈是个整体，没有破坏的

大齿轮直径约800mm，它与轴颈为

“红套”紧固在一起。照片所示部

分重约2吨。

图6 OPI 0.1×

图7 OPI 0.2×图象说明：

断口的宏观全貌。在箭头a 所指区间有宏观疲劳特征，大箭头a所指牙齿疲劳特征特别明显，其它地区具有一次断裂特征。箭头b所指为齿轮热处理硬化层。箭头c所指为放射状台阶，几乎布满整个齿轮圆周，这是应力集中的表现，箭头d所指为内裂纹。整个宏观断口表现为很大的脆性倾向。

图8 OPI 0.8×图象说明：

具有明显疲劳特征的牙齿的宏观形貌。疲劳起源于沿淬硬层或过渡区，如白色箭头所指。由于齿轮轴断裂后的碰撞，箭头所指区的淬硬层已有崩落。疲劳裂纹扩展方向如黑色箭头所指。

传动齿轮失效分析

1．电动凿岩机齿轮机芯失效

电动凿岩机的机芯由11个零件组成，它在工作时要求其施加给钎杆的冲击周次为1800~2000次/分，扭转周次为200次/分，冲击力为70~100MPa。除外壳外，机芯的全部零件均采用20号钢，经渗碳+淬火+低温回火处理。据制造厂家说，热处理是按标准工艺进行的。当机器装备好后，投入使用不到两小时，机芯的7个主要零件全部破坏。破坏情况如图9、10所示。主要是破裂和变形。典型的断口如图11所示，都具有一次断裂特征。

根据检查结果分析，上述各零件的断裂属一次脆断失效，其主要原因是渗碳淬火加热温度过高，回火不足，造成过热组织，内部出现淬火裂纹，大大增高了零件脆性。其次选材不当，低碳渗碳不能满足零件使用时对心部的强度要求，如关键零件有明显变形。经建议改用40Cr钢进行氰化处理后，问题得圆满解决。