(2.31)-金屬構件失效分析

齒輪的失效分析目錄1、齒輪的失效類型2、變速箱齒輪失效分析3、傳動齒輪失效分析4、結語1齒輪的失效類型齒輪失效的類型可劃分為四種：

(1)磨損失效，是指輪齒接觸表面的材料損耗；(2)表面疲勞失效，是指接觸表面或表面下應力超過材料疲勞極限所引起的材料失效。進一步又可分為初始點蝕、毀壞性點蝕和剝落。(3)塑性變形失效，是指在重載荷作用下表面金屬屈服所造成的表面變形。它又可進一步分為壓塌和飛邊變形、波紋變形和溝條變形。(4)折斷失效，是指整個輪齒或輪齒相當大的一部分發(fā)生斷裂。可以進一步分為疲勞折斷、磨損折斷、過載折斷、淬火或磨削裂紋引起的折斷等。2變速箱齒輪失效分析（1）45號鋼齒坯裂紋分析

45號鋼齒坯，由φ80mm圓鋼落料后直接粗車成外徑為φ78mm的柱體形狀。其化學成分為：C：0.49％，Mn:0.68％，Cr<0.2％。熱處理工藝過程：在X—45箱式電爐中加熱，到溫度(820℃)裝爐，裝爐量109只，保溫時間為一小時(工件達到溫度后計算時間)，工件用鹽水冷卻(冷卻液不循環(huán))，水溫20~30℃。回火溫度為520~530℃(零件淬火后隔天回火)。經(jīng)車削后，發(fā)現(xiàn)零件內(nèi)孔平面和內(nèi)孔上有較多裂紋，如圖1和2所示。圖象說明：零件實物經(jīng)SM-3R型滲透劑著色探傷后宏觀形貌。經(jīng)肉眼與放大鏡觀察，在齒坯內(nèi)孔平面與內(nèi)孔中有距離大致相等的5~6處較長的裂紋，裂紋均由內(nèi)孔之平面與孔交界處為起始分別向內(nèi)孔壁與平面擴展；內(nèi)孔平面上和內(nèi)孔交界處加工紋路明顯且尖銳。圖12變速箱齒輪失效分析圖象說明：內(nèi)孔平面試樣作金相觀察，有數(shù)條裂紋交叉分布，其內(nèi)充滿氧化皮夾雜。其微觀裂紋長度不等，分別為0.63mm,0.29mm,0.23mm及0.19等。2變速箱齒輪失效分析（2）汽車變速箱齒輪失效失效齒輪為載重汽車變速箱一擋齒輪，由滲碳鋼制造，在進行臺架試驗時，未達到設計要求就發(fā)生斷齒現(xiàn)象。根據(jù)斷口的形貌可斷定該齒輪的斷裂為高應力作用下引起的快速斷裂。主動齒輪心部斷口基本為韌窩，被動齒輪具有準解理斷裂形貌，說明主動齒輪韌性較好，但強度較低。顯微硬度證實了主動齒輪硬度較被動齒輪低。兩只齒輪滲碳層中均有網(wǎng)狀滲碳體析出，這將使表層韌性較低，致使在運轉過程經(jīng)受不了啟動沖擊應力的作用。本次斷裂事故是由主動齒輪先斷裂，進而引起被動齒輪崩齒，故在被動齒輪上還能看到碰傷的痕跡。因此，可以認為齒輪失效的原因為滲碳工藝控制不當（熱處理不當）而引起斷齒。變速箱一擋齒輪發(fā)生斷齒后的宏觀實物如圖3所示。圖象說明：變速箱齒輪發(fā)生斷齒后的宏觀實物形貌。圖32變速箱齒輪失效分析主動齒輪及被動齒輪斷齒后的宏觀斷口形貌見圖4所示。圖象說明：

被動齒輪的斷口形貌。沿齒根斷裂，斷口形貌與主動齒輪斷口相似，斷齒附近幾個齒不同程度都發(fā)生小塊崩裂及碰傷。圖42變速箱齒輪失效分析（3）車床變速箱齒輪失效發(fā)生失效齒輪的車床為日本制造，齒表層為滲碳處理，使用已達30多年，使用過程中發(fā)生斷齒現(xiàn)象，事故現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)在加工工件時切削進刀量過大。斷口形貌如圖5所示。齒輪斷口屬于高應力作用下的快速斷裂。齒根邊緣斷口呈現(xiàn)韌窩和沿晶斷裂特征，是與滲碳層中沿晶析出的碳化物及晶界處碳濃度較高有關。對微觀組織與材料檢查結果均屬正常。對損壞齒輪進行檢驗分析后可以斷定，所有斷齒斷口都屬本次事故中形成的新裂紋。而對現(xiàn)場檢查結果發(fā)現(xiàn)，工件上留有相當多的、很深的切削車刀痕，由此可說明，齒輪主要是由于制造工藝不當，引起應力集中而破斷。圖5圖象說明：齒輪斷口宏觀形貌。整只齒輪有7個斷齒，裂源均產(chǎn)生于齒根，斷口邊緣兩側較平坦，中間較粗糙，并能觀察到小刻面特征。前6個齒的宏觀形貌基本相同，第7齒可觀察到塑性變形特征，其形貌呈剪切唇狀。2變速箱齒輪失效分析（4）L-B號遠洋貨輪變速箱齒輪軸的斷裂失效進口新造遠洋貨輪從試航到服役共運行三十六天，在正常航行途中，于1986年12月19日突然發(fā)生變速箱齒輪軸斷裂。齒輪部分直徑為φ=500mm，齒寬360mm，齒輪軸在齒輪中間部位沿徑向斷成兩截。齒輪軸材料為20CrMnMo鋼。根據(jù)國外制造廠家提供資料，齒輪軸為整體鍛造而成，表面經(jīng)硬化處理。其斷裂部位見圖6，宏觀斷口全貌見圖7。據(jù)此可見，齒輪軸是疲勞斷裂，明顯的疲勞痕在牙齒上，見圖8，它是圖7大箭頭a所指牙齒的放大。齒輪軸斷裂主要在于材料本身質(zhì)量不良所致。冶金缺陷如未經(jīng)鍛合的鑄造內(nèi)裂，組織偏析，夾雜物沿晶分布，都是造成零件脆斷的主要因素。牙齒表面合金化處理時，淬火后回火不足之組織應力，熱處理時的熱應力未充分消除也是引起裂紋的重要因素。未經(jīng)消除的鑄造缺陷在內(nèi)外應力作用下，容易成為擴展裂紋，故牙齒部分首先產(chǎn)生疲勞，再加上齒輪軸內(nèi)部存在的多達百條內(nèi)裂紋，因此迅速發(fā)生瞬間脆斷。2變速箱齒輪失效分析

圖象說明：斷裂部位如白色箭頭所指。黑色箭頭所指的是在齒輪軸斷裂之后，由于齒輪箱內(nèi)零部件相互撞擊，使牙齒部分變形歪扭、斷裂。斷裂齒輪與軸頸是個整體，沒有破壞的大齒輪直徑約800mm，它與軸頸為“紅套”緊固在一起。照片所示部分重約2噸。圖62變速箱齒輪失效分析圖象說明：斷口的宏觀全貌。在箭頭a所指區(qū)間有宏觀疲勞特征，大箭頭a所指牙齒疲勞特征特別明顯，其它地區(qū)具有一次斷裂特征。箭頭b所指為齒輪熱處理硬化層。箭頭c所指為放射狀臺階，幾乎布滿整個齒輪圓周，這是應力集中的表現(xiàn)，箭頭d所指為內(nèi)裂紋。整個宏觀斷口表現(xiàn)為很大的脆性傾向。圖72變速箱齒輪失效分析圖象說明：具有明顯疲勞特征的牙齒的宏觀形貌。疲勞起源于沿淬硬層或過渡區(qū)，如白色箭頭所指。由于齒輪軸斷裂后的碰撞，箭頭所指區(qū)的淬硬層已有崩落。疲勞裂紋擴展方向如黑色箭頭所指。圖83傳動齒輪失效分析（1）電動鑿巖機齒輪機芯失效

電動鑿巖機的機芯由11個零件組成，它在工作時要求其施加給釬桿的沖擊周次為1800~2000次/分，扭轉周次為200次/分，沖擊力為70~100MPa。除外殼外，機芯的全部零件均采用20號鋼，經(jīng)滲碳+淬火+低溫回火處理。據(jù)制造廠家說，熱處理是按標準工藝進行的。當機器裝備好后，投入使用不到兩小時，機芯的7個主要零件全部破壞。破壞情況如圖9、10所示。主要是破裂和變形。典型的斷口如圖11所示，都具有一次斷裂特征。根據(jù)檢查結果分析，上述各零件的斷裂屬一次脆斷失效，其主要原因是滲碳淬火加熱溫度過高，回火不足，造成過熱組織，內(nèi)部出現(xiàn)淬火裂紋，大大增高了零件脆性。其次選材不當，低碳滲碳不能滿足零件使用時對心部的強度要求，如關鍵零件有明顯變形。經(jīng)建議改用40Cr鋼進行氰化處理后，問題得圓滿解決。3傳動齒輪失效分析圖象說明：展示了四個主要零件的失效概況。1號零件箭頭所指處表層剝落，桿體彎曲；2號，3號，4號零件除表層有剝落外，均破裂成兩半。圖93傳動齒輪失效分析圖10圖象說明：展示了三個齒輪的失效情況。5號齒輪破裂成兩半。6號齒輪的中軸孔卻不見了，從圓孔處剪切掉。在齒輪中心鉆了八個孔，目的是為了減輕重量，但嚴重地削弱了強度。7號齒輪有一個齒掉落，如白箭頭所指，破斷情況雖不嚴重，但有明顯變形，四個小孔有三個明顯不圓，如黑箭頭所指。此外，三個齒輪都有不同程度的剝落，如大白箭頭所指。3傳動齒輪失效分析圖11圖象說明：3號，4號，5號三個零件的斷口。3號件是一個內(nèi)齒圈斷成兩截；4號件在內(nèi)六孔的尖角處，有明顯的淬火裂紋，如箭頭所指；5號件也有內(nèi)部缺陷，如箭頭所指。這三個斷口都無疲勞特征，而只具有一次斷裂的特征。斷口呈瓷狀，有相當多的內(nèi)點（結晶狀）。3傳動齒輪失效分析（2）8E150型柴油機齒輪失效

失效的柴油機安裝于漁船上，功率為198千瓦，工作時轉速750轉／分，在使用700多小時后，發(fā)生大舵齒輪斷齒而引起柴油機損壞事故。該齒輪材料為45號鋼，齒輪制造工藝為鍛造→正火→粗加工→調(diào)質(zhì)→精加工→滾齒→齒面淬火→磨齒。事故發(fā)生后拆下齒輪，發(fā)現(xiàn)從齒輪上斷下數(shù)只齒，并掉下一大塊。齒輪的宏觀斷口形貌特征如圖12、13、14所示;電子斷口圖象如圖15所示；該柴油機齒輪斷裂屬多源疲勞斷裂。引起疲勞的主要原因是由于熱處理工藝控制不當，齒根及齒側面未淬硬，經(jīng)顯微硬度測量結果僅為HRC26~28，因此造成齒根部材料的疲勞強度遠低于設計要求，而齒根處所受工作應力較高，故導致在齒根處產(chǎn)生早期疲勞斷裂。3傳動齒輪失效分析圖象說明：齒輪上掉塊的斷口形貌。在斷口上能觀察到貝殼狀條紋，裂源區(qū)有許多宏觀疲勞臺階條紋，裂源產(chǎn)生于齒根處，并有多個疲勞源。3傳動齒輪失效分析圖象說明：上圖掉塊的另一斷面宏觀形貌，同樣具有宏觀疲勞臺階、貝殼狀條紋及多源等特征。另外由于斷口保護不當，斷面上有較嚴重的銹斑。3傳動齒輪失效分析圖象說明：在齒輪上掉下的數(shù)只斷齒中的一只，其宏觀形貌同樣有貝殼狀條紋、疲勞臺階及多源等特征。3傳動齒輪失效分析圖象說明：

對斷口作SEM觀察，可看到裂紋源起始于齒根表面，并能觀察到裂紋向內(nèi)擴展的臺階條紋。3傳動齒輪失效分析（3）大型推土機被動齒輪失效斷裂失效的構件系大型推土機被動齒輪，熱處理工藝為滲碳后淬火及回火。熱處理后，由于該齒輪發(fā)生形變，采用局部加熱后校正再進行回火。四個月后，在磨內(nèi)孔時發(fā)現(xiàn)該齒輪開裂。大型推土機被動齒輪宏觀斷口形貌如圖16所示。根據(jù)斷口的形貌特征可斷定：被動齒輪斷裂失效是由于構件基體內(nèi)含氫雖較高使其脆化，并在較大的拉應力共同作用下產(chǎn)生開裂的。而基體內(nèi)氫含量過高的來源在于滲碳過程中應用了煤油、三乙醇胺飽和鏈羥和不飽和鏈羥的混合物，在高溫下產(chǎn)生大量氫，加上在低溫回火中回火不充分(原回火時間僅為2小時)，而構件較大，回火時間太短，造成構件基體內(nèi)仍保留較高含量的氫，在外加較大的正應力作用下導致氫脆斷裂。3傳動齒輪失效分析圖象說明：可觀察到許多裂紋沿中心花鍵軸槽底呈放射狀開裂。根據(jù)裂紋的形狀可看出，鍵槽開裂時受應力較大。該花鍵軸槽底角呈直角。3傳動齒輪失效分析（4）滾筒式采煤機齒輪失效

EDW-300-L滾筒式采煤機齒輪材質(zhì)為17CrNiM06E鋼，熱處理工藝為調(diào)質(zhì)處理，在運行中斷裂。齒輪輪齒宏觀斷口形貌如圖17所示，具有疲勞斷裂的宏觀特征，電子顯微圖象如圖18所示。綜上分析，可知17CrNiM06E鋼齒輪輪齒斷裂屬單向彎曲低周疲勞斷裂，裂源區(qū)基本上呈現(xiàn)沿晶及穿晶準解理斷裂形貌；隨著裂紋生長，疲勞擴展速率逐漸增加，即疲勞輝紋增大。瞬斷區(qū)為準解理形貌特征。圖象說明：單齒彎曲低周疲勞裂紋與齒輪齒槽成傾斜斷裂。齒輪輪齒裂紋由工作面齒根部位萌生及擴展，裂紋擴展方向由工作面指向非工作面，裂紋擴展過程方向不斷變化，最后到達非工作面形成斷口。輪齒斷口周圍較平坦，這可能是由于硬化層所致。輪齒裂紋成扇形向內(nèi)部擴展。3傳動齒輪失效分析圖象說明：采煤機齒輪輪齒斷口。裂源區(qū)的電子圖象為沿晶脆性斷裂形貌特征。3傳動齒輪失效分析（5）錐形齒輪的斷裂失效

小汽車用錐形齒輪選用18CrMnTi材料，經(jīng)滲碳、淬火后低溫回火處理，表面滲碳層硬度HRC56~58。服役的時間很短，在一次突然起動時絕大多數(shù)齒自根部斷裂失效，見圖19。宏觀斷口平整，隱約可見材料軋制流線與齒面平行，故呈現(xiàn)較大的脆性，斷口上未發(fā)現(xiàn)疲勞痕跡。金相檢查：滲碳層厚0.5~0.8mm（不均勻）。除滲碳層有網(wǎng)狀滲碳體析出外，其金相組織仍屬正常。3傳動齒輪失