汽車齒輪斷裂失效探析范文

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1理化檢驗與結(jié)果

1．1化學成分分析用OxfordMasterPro直讀光譜儀對失效齒輪進行化學成分分析，見表1，各元素成分符合GB/T3077—1999《合金結(jié)構(gòu)鋼》中20CrMoTi鋼的成分要求。

1．2硬度分析由于斷齒部分無法進行檢測，硬度測試在輪齒部分保存較好的切樣A上進行。選取齒輪的齒頂、分度圓和齒根位置，沿著垂直表面切線方向，每隔0．4mm進行維氏硬度測試，加載載荷9．807N，加載時間15s，其測試結(jié)果見圖3。近齒輪表面0．2mm處的顯微硬度為736～763HV，心部顯微硬度295～378HV。硬化層深度根據(jù)GB/T9450—2005《鋼件滲碳淬火硬化層深度的測定和校核》，通常取表面至550HV處的垂直距離作為有效硬化層深度。該產(chǎn)品的硬度要求為:心部硬度30～40HRC(300～390HV);表面硬度58～63HRC(660～780HV)。從圖3可見，該齒輪齒頂處及分度圓處均在技術(shù)要求范圍內(nèi)，但是齒根處心部測試硬度數(shù)據(jù)位于合理范圍下限。從硬度曲線可以看出，3處的滲碳層深度都在1．5～1．8mm之間，符合產(chǎn)品滲層厚度要求，從硬度分布來看，齒輪根部硬度下降較快，有產(chǎn)生淺層剝落的隱患。齒根位置滲層厚度較薄、分布不均勻一般可能由于齒根處溫度較低或齒根處碳勢較低等原因造成。

1．3金相檢驗本試驗選取切樣A經(jīng)打磨拋光腐蝕后，在OlympusGX51明場下對樣品觀察，顯微組織如圖4所示，其中圖4(a)為齒頂處滲碳層顯微組織;圖4(b～e)為分度圓處由表層到心部顯微組織。由圖4可見，齒輪滲層組織為細小黑色針狀回火馬氏體及少量殘留奧氏體，另外還有極少量白色碳化物。由表及里的滲碳層及過渡區(qū)組織分布形態(tài)正常;心部組織主要為低碳板條馬氏體和游離鐵素體，組織均勻;但是齒根處的心部組織有較多游離態(tài)鐵素體存在。

2分析與討論

該齒輪組織技術(shù)要求為:馬氏體1～3級;殘留奧氏體1～3級;碳化物1～3級，顯微組織中滲碳層組織為高碳回火馬氏體+分散的細小碳化物+少量殘留奧氏體，心部組織為低碳回火馬氏體+少量貝氏體+少量鐵素體，均為滲碳淬火低溫回火后的正常組織。參照QC/T262—1999《汽車滲碳齒輪金相檢驗》，判定碳化物的級別1級，殘留奧氏體2～3級，馬氏體2級，齒輪的微觀組織級別符合技術(shù)要求。此外，在齒輪根部發(fā)現(xiàn)有較多游離態(tài)鐵素體存在，圖4(e)中所示，參照GB/T25744—2010《鋼件滲碳淬火回火金相檢驗》中心部組織評級說明，游離鐵素體含量相對較多，達到4級，這與硬度測試中齒輪根部硬度下降較快相吻合，也是齒根部硬度相對較低的主要原因。作者認為，齒輪使用過程中存在過載現(xiàn)象，表面滲碳層在傳動嚙合過程中，使得齒輪表面壓應力過高，分度圓處或齒根處易于滲碳層破碎或裂紋，在斷裂后齒面表層仍能找出明顯的宏觀裂紋，心部組織較為均勻且符合國標要求，但其心部存在較多量鐵素體，使其硬度值接近標準下限，硬度相對較低的心部不能承受隨之而來過高載荷而發(fā)生斷裂。斷裂位置多發(fā)生于齒輪分度圓處，斷面較平緩，有疲勞線存在，這是由于反復壓應力下產(chǎn)生疲勞裂紋，最終引起齒輪的斷裂。

3結(jié)論

汽車齒輪工作階段發(fā)生疲勞斷裂，齒輪嚙合傳動過程中存在過載現(xiàn)象，表面滲碳層在傳動嚙合過程中壓應力過高，表面滲碳層發(fā)生破碎剝落和微裂紋，這是由于齒輪心部存在多邊形鐵素體，使得心部硬度值偏低，導致分度圓處疲勞強度降低，致使裂紋擴展而斷裂。

作者：楊峰單位：徐州工程學院機電工程學院