齒輪軸開裂原因分析

張 兵 ，石曉東 ，侯 銳 ，王 智 ，強(qiáng)浩垚 ，戚曉晨

（1.中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2.航空材料檢測與評價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；3.中國航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)材料檢測與評價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；4.材料檢測與評價(jià)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；5.新時(shí)代工程咨詢有限公司，北京 100088；6.陸軍裝備部駐北京地區(qū)某軍代室，北京 100072；7.中國傳媒大學(xué)，北京 100024）

0 引言

自20 世紀(jì)40 年代被發(fā)現(xiàn)以來，氫脆失效一直是威脅鋼制零件使用安全的重大工程問題之一。氫的影響不僅會(huì)使材料變脆，還會(huì)降低材料極限抗拉強(qiáng)度和疲勞性能[1-4]。由于氫脆斷裂屬于延遲脆性破壞，在斷裂之前無宏觀塑性變形，難以通過常規(guī)檢查程序加以識(shí)別，而且氫脆往往呈“批次性”特征。因此，一旦零件發(fā)生氫脆失效可能會(huì)造成嚴(yán)重的后果[5-7]。

由于氫脆失效的嚴(yán)重危害性，半個(gè)多世紀(jì)以來，國內(nèi)外研究人員從機(jī)理、損傷表現(xiàn)、影響因素以及工程控制等方面對氫脆進(jìn)行了大量研究，在氫脆機(jī)理方面形成了多種比較著名的理論，包括氫壓理論、表面吸附理論、弱鍵理論、氫與位錯(cuò)交互作用理論等[7]。

齒輪是在機(jī)械傳動(dòng)裝置中起著傳遞動(dòng)力、變速和改變運(yùn)動(dòng)方向等作用的重要零件，齒輪軸的質(zhì)量直接影響到齒輪乃至整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，針對齒輪軸故障展開分析，尋找失效原因，提出解決措施，具有重要意義。

齒輪軸放置一段時(shí)間后發(fā)生開裂。其材質(zhì)為18CrNiMo7-6 鋼，處理工藝為：920 ℃正火+650 ℃回火+車加工+920 ℃滲碳18 h、擴(kuò)散6.5 h+820 ℃淬火+170 ℃回火6 h+表面精加工。滲碳后滲層厚度約2.1 mm，心部硬度要求約HRC 40。本研究通過宏微觀觀察、金相組織檢查、硬度測試、能譜成分分析、以及氫含量測定，對齒輪軸的開裂性質(zhì)和原因進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1 宏觀觀察

開裂齒輪軸宏觀形貌見圖1，裂紋沿軸向貫穿整個(gè)軸，徑向擴(kuò)展到軸的心部。斷口宏觀形貌見圖2，可見裂紋從內(nèi)部起源；源區(qū)位于軸身位置（距齒的一端沿軸向約70 mm），距表面約15 mm；源區(qū)存在沿軸向分布的較大條狀缺陷，尺寸約為4.50 mm×0.45 mm。

圖1 齒輪軸宏觀形貌Fig.1 Macro appearance of the gear shaft

圖2 斷口宏觀形貌Fig.2 Macro appearance of the fracture surface

1.2 微觀觀察

利用場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察斷口微觀形貌，如圖3 所示。由圖可見：裂紋從缺陷處起源，缺陷處的高倍形貌呈顆粒狀；源區(qū)附近和擴(kuò)展前期斷面均呈沿晶+解理混合特征，擴(kuò)展后期斷面呈韌窩+解理混合特征。人工斷口的微觀形貌則主要呈韌窩特征，局部可見少量解理特征，如圖4所示。

圖3 齒輪軸斷口微觀形貌Fig.3 Micro appearances of the fracture surface

圖4 人工斷口微觀形貌Fig.4 Micro appearance of man-made fracture surface

1.3 能譜成分分析

對齒輪軸斷口進(jìn)行能譜成分分析，結(jié)果見表1。由表1 可知，缺陷處含有較高的O、Al，以及少量的Ca，可知缺陷為夾雜。其他區(qū)域未見明顯異常元素。

表1 斷口能譜成分分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）Table 1 Energy dispersive X-ray spectroscopy analysis results of fracture surface（mass fraction/ %）

1.4 金相組織檢查

靠近斷口源區(qū)截取垂直于斷口的橫截面試樣，磨拋腐蝕后用金相顯微鏡進(jìn)行微觀組織檢查。齒輪軸心部組織為回火馬氏體，未見異常（圖5）。

圖5 齒輪軸心部金相組織Fig.5 Microstructures at the core of the gear shaft

1.5 硬度及滲碳層深度測定

靠近源區(qū)截取垂直于斷口的橫截面試樣，磨拋后進(jìn)行顯微硬度測試。齒輪軸心部顯微硬度平均值約為HV 388，按GB/T 1172—1999 轉(zhuǎn)換成洛氏硬度約HRC 40.5，符合技術(shù)條件要求（心部硬度HRC 40 左右）。此外，對試樣表層按照GB/T 9450—2005 進(jìn)行硬度梯度測試，齒輪軸軸身位置滲層深度約1.6 mm。軸身位置滲碳后表面經(jīng)過加工處理，因此滲層厚度小于2.1 mm。

1.6 氫含量測試

從齒輪軸心部取測氫試樣，采用脈沖加熱-熱導(dǎo)法測定氫含量，結(jié)果見表2，可知齒輪軸心部的氫含量小于1×10-6。

表2 齒輪軸氫含量測試結(jié)果Table 2 Hydrogen content testing results of gear shaft ×10-6

2 分析與討論

根據(jù)齒輪軸裂紋故障背景分析以及裂紋斷口的宏微觀形貌觀察結(jié)果，可以得出以下規(guī)律：1）齒輪軸放置一段時(shí)間后開裂，時(shí)間上具有延遲開裂的特點(diǎn)；2）裂紋從內(nèi)部缺陷處起源，擴(kuò)展前期呈沿晶+解理混合特征，人工斷口主要呈韌窩特征；3）斷口未見明顯腐蝕產(chǎn)物和腐蝕性元素；4）齒輪軸斷口附近微觀組織未見異常。綜合這些特點(diǎn)，可判斷齒輪軸屬于氫致延遲脆性開裂。

氫脆開裂是一個(gè)多因素耦合作用的結(jié)果，主要影響因素包括材料強(qiáng)度、氫含量和拉應(yīng)力。材料強(qiáng)度越高，氫脆敏感性越大，發(fā)生氫脆開裂所需的臨界氫含量越低。一般來說，氫含量大于5×10-6時(shí)，鋼制零件可能會(huì)發(fā)生氫脆開裂；而對于高強(qiáng)度鋼，即使氫含量小于1×10-6，氫脆開裂也有可能發(fā)生[7-8]。齒輪軸基體顯微硬度約為HV 388，換算成抗拉強(qiáng)度σb約為1285 MPa，屬于高強(qiáng)度鋼，氫脆敏感性較高。

在一定的拉應(yīng)力作用下，鋼制零件內(nèi)部的氫含量越高，則越容易發(fā)生氫脆開裂。齒輪軸基體氫含量較低（小于1×10-6），說明齒輪軸氫脆開裂與氫含量關(guān)系不大。

齒輪軸在放置一段時(shí)間后發(fā)生氫脆開裂，主要受殘余應(yīng)力作用。工件熱處理后在冷卻過程中，由于表層和心部存在溫差，導(dǎo)致冷縮不均以及相變發(fā)生時(shí)間不同，從而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。滲碳工件的滲碳層一般呈殘余壓應(yīng)力狀態(tài)，從滲碳層與基體的過渡區(qū)開始逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闅堄嗬瓚?yīng)力狀態(tài)[9]。齒輪軸表面滲碳層深度小于2.1 mm，而裂紋源區(qū)距離表面約15 mm，裂紋源區(qū)位于基體，離滲碳硬化層較遠(yuǎn)，應(yīng)該為殘余拉應(yīng)力狀態(tài)。有研究表明，鋼制零件經(jīng)過400 ℃回火后只能消除約50%的殘余應(yīng)力，經(jīng)500 ℃回火后大約可以消除約80%的殘余應(yīng)力[10]。低溫回火通常不能完全消除材料中的殘余應(yīng)力。齒輪軸體積較大，且滲碳、淬火后經(jīng)歷的是170 ℃低溫回火，內(nèi)部殘余應(yīng)力較大。

齒輪軸裂紋從內(nèi)部起源，源區(qū)存在較大的長條狀A(yù)l2O3·(CaO)X夾雜缺陷。從齒輪軸的橫截面角度看，Al2O3·(CaO)X夾雜呈球狀。在拉應(yīng)力作用下，Al2O3·(CaO)X夾雜和基體沿著交界面發(fā)生分離從而形成孔洞，孔洞邊緣存在應(yīng)力集中，在應(yīng)力梯度作用下材料中的H 在晶格內(nèi)擴(kuò)散或跟隨位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，向夾雜缺陷周圍的晶界、空穴、位錯(cuò)等缺陷處聚集，導(dǎo)致這些位置基體發(fā)生脆化，進(jìn)而形成微裂紋并擴(kuò)展。Al2O3·(CaO)X夾雜附近H 聚集以及裂紋萌生的過程如圖6 所示[11-12]。

圖6 Al2O3·(CaO)X 夾雜附近氫原子聚集以及裂紋萌生的過程Fig.6 Schematic illustration of hydrogen gathering and crack initiation near Al2O3·(CaO)X inclusion

3 結(jié)論

1）齒輪軸開裂性質(zhì)為氫致延遲脆性開裂。

2）齒輪軸開裂與氫含量關(guān)系不大。齒輪軸內(nèi)部存在較大Al2O3·(CaO)X夾雜缺陷，導(dǎo)致較大應(yīng)力集中，這是齒輪軸發(fā)生氫致脆性開裂的主要原因。

3）應(yīng)嚴(yán)格控制齒輪軸原材料的質(zhì)量，防止類似故障的發(fā)生。