高速齒輪軸斷裂原因分析

劉浩波 王長健

(1.海軍駐昆明地區(qū)軍事代表辦事處，云南650031；2. 四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川618013)

某公司生產(chǎn)的720 mm管軋機(jī)主減速機(jī)在使用8個月后，其高速齒輪軸出現(xiàn)斷裂。該高速齒輪軸材質(zhì)為42CrMo。為確定高速齒輪軸斷裂原因，對高速齒輪軸進(jìn)行了試驗(yàn)分析。斷裂齒輪軸外貌見圖1。

圖1 斷裂齒輪軸外貌Figure 1 Appearance of the broken gear shaft

1 試驗(yàn)方法

將送檢的斷裂齒輪軸斷口面進(jìn)行清洗，觀察斷口宏觀形貌。切取橫向低倍試片，觀察齒輪軸橫向低倍組織形貌。在低倍試片裂紋處切取高倍試樣，觀察裂紋微觀形態(tài)。

2 檢驗(yàn)結(jié)果

2.1 宏觀斷口分析結(jié)果

斷口經(jīng)清洗后觀察發(fā)現(xiàn)，斷口主要分為3個部分，即瞬時斷裂區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和斷裂源區(qū)，斷口宏觀形貌見圖2。斷裂源區(qū)位于齒輪軸中心附近，呈橢圓形，整個斷裂源區(qū)有明顯的以斷裂源為中心的向四周發(fā)散的斷裂纖維，并且斷裂源區(qū)與擴(kuò)展區(qū)具有明顯的、清晰的邊界。斷裂源從宏觀上觀察實(shí)為斷裂源區(qū)內(nèi)的一個點(diǎn)，即為點(diǎn)斷裂源，見圖3。擴(kuò)展區(qū)細(xì)致，并在擴(kuò)展區(qū)邊緣有明顯的疲勞擴(kuò)展貝殼紋，如圖2中的箭頭所示。瞬時斷裂區(qū)斷面粗糙，位于齒輪軸邊緣。

2.2 低倍檢驗(yàn)結(jié)果

齒輪軸橫向試片切成4塊，其低倍組織形貌見圖4。該齒輪軸點(diǎn)狀偏析嚴(yán)重，按GB1979—2001標(biāo)準(zhǔn)評定，一般點(diǎn)狀偏析為2.0級，其中一塊低倍試片有長約20 mm的裂紋。

2.3 高倍檢驗(yàn)結(jié)果

在裂紋處切取高倍試樣，磨制后未經(jīng)腐蝕觀察，裂紋曲折，其形貌見圖5。經(jīng)4%硝酸酒精溶液腐蝕后觀察，齒輪軸顯微組織為珠光體+鐵素體，裂紋穿過現(xiàn)有組織，見圖6。

2.4 電鏡分析結(jié)果

在斷裂源區(qū)切取電鏡分析試樣，分別觀察擴(kuò)展區(qū)、斷裂源區(qū)以及點(diǎn)斷裂源處的形貌，均為準(zhǔn)解理，見圖7。

圖2 宏觀斷口形貌Figure 2 Macroscopic appearance of fracture

圖3 斷裂源區(qū)局部放大Figure 3 Local amplification of fault source zone

(a)(b)

(c)(d)

圖4 橫向低倍組織形貌
Figure 4 Macroscopic appearances of horizontal structures

圖5 裂紋微觀形貌 ×50Figure 5 Microscopic appearance of crack ×50

圖6 裂紋與現(xiàn)有組織 ×500Figure 6 Crack and existing microstructure ×50

圖7 斷裂源區(qū)微觀形貌 ×1000Figure 7 Microscopic appearance of fracture source zone ×1000

3 分析

3.1 從宏觀斷口形貌來看，擴(kuò)展區(qū)有明顯的疲勞擴(kuò)展貝殼紋。從齒輪軸的使用情況來看，它使用僅8個月就發(fā)生斷裂，這就是說，該齒輪軸斷裂性質(zhì)為典型的低周快速疲勞斷裂。

3.2 斷裂源區(qū)和擴(kuò)展區(qū)具有明顯的、清晰的邊

界，從宏觀上表現(xiàn)為明顯不同的斷裂形態(tài)，這就說明，斷裂源區(qū)和擴(kuò)展區(qū)產(chǎn)生于不同時期。擴(kuò)展區(qū)為齒輪軸使用過程中疲勞擴(kuò)展而形成的，斷裂源區(qū)在擴(kuò)展區(qū)之前就已形成，這就是說，斷裂源區(qū)就是齒輪軸內(nèi)部存在的原始裂紋。電鏡分析結(jié)果可知，斷裂源區(qū)微觀形態(tài)為準(zhǔn)解理，即為穿晶形態(tài)，從裂紋與組織的關(guān)系看，裂紋穿過現(xiàn)有組織，這說明，原始裂紋是在最終熱處理(淬火或正火)后的冷卻過程中，或之后室溫放置時間過長使齒輪軸鍛件內(nèi)部殘余應(yīng)力過大所致。斷裂源區(qū)的斷裂源是一個點(diǎn)，并以斷裂源為中心，有向四周發(fā)散的斷裂纖維，而電鏡下觀察點(diǎn)斷裂源處并未發(fā)現(xiàn)夾渣等冶金缺陷，這進(jìn)一步說明齒輪軸內(nèi)部原始裂紋為內(nèi)應(yīng)力所致的應(yīng)力裂紋。

4 結(jié)論

該42CrMo高速齒輪軸斷裂性質(zhì)為低周快速疲勞斷裂，它產(chǎn)生的原因是由于鍛件內(nèi)部存在原始裂紋所致。而這原始裂紋又是由于齒輪軸內(nèi)部殘余應(yīng)力過大所致。