图 1主齿轮轴断面宏观形貌
齿轮是传递运动和动力的重要零件，在传递力及改变速度的过程中，啮合齿面承受脉动或交变弯曲应力作用，易发生齿轮损伤[1]。齿轮损伤基本可分为：裂纹、轮齿折断、齿面疲劳、齿面损耗、齿面胶合和永久变形，其中轮齿折断最为严重；引起轮齿折断的因素较多，由疲劳导致的轮齿折断情况尤为常见，其产生原因是在过高的交变应力作用下，裂纹从疲劳源不断扩展，使轮齿剩余截面的应力超过其极限应力[2]。同时，受力不均也可能改变应力结构，进而引起零件断裂[3]。因此，时刻关注轮齿齿面的啮合情况变化及啮合过程中的应力结构变化，能够有效预防轮齿断裂。
某型号产品主齿轮轴材料为35CrNi1Mo钢，是转向机构中承担传动功能的关键部件[4]，在使用近千次后，转向机构出现动作异常，拆检时发现该齿轮轴的一个轮齿沿齿根部发生断裂。该齿轮轴的生产工序为：毛坯→毛坯热处理→粗加工→磨花键→齿面淬火→磨齿→氧化等。笔者采用一系列理化检验方法分析了轮齿断裂的原因，结果可为后续产品的改进提供技术支持。
1. 理化检验
1.1 宏观观察
主齿轮轴表面一个轮齿沿一侧发生开裂，裂纹沿纵向从一侧齿根向另一侧齿根延伸，齿断裂面近似锥形，裂纹从裂纹源至断裂终止部位呈一定角度延展，裂纹总长度约为40 mm。主齿轮轴断面宏观形貌如图1所示。由图1可知：断裂起始部位为靠近主齿轮轴一侧的端面齿根处，该部位是轮齿与齿轮轴本体的交界区域，结构相对薄弱，属于应力集中部位；在断裂起始部位且呈放射状向外扩展的断面上，可观察到4条清晰的疲劳裂纹，部分区域存在锈蚀现象。根据宏观形貌初步判断，该轮齿断裂性质为疲劳断裂，且疲劳条纹间隔较大，属于低周疲劳。
断裂轮齿宏观形貌如图2所示。由图2可知：齿面存在细小的损伤痕迹，痕迹沿齿面啮合方向分布，齿面两侧啮合面呈现不对称的情况，且啮合及损伤面为斜面；主齿轮轴其余齿面啮合位置均为齿阔中间位置，且啮合表面非斜面，这表明主齿轮轴断裂齿在啮合过程中存在齿面两侧及两端受力不均的情况。受损齿面呈现方向性的挤压磨损痕迹，部分区域存在凹坑。
1.2 扫描电镜（SEM）和能谱分析
在主齿轮轴齿断面截取试样，并用超声波清洗，将试样置于扫描电镜下观察，结果如图3所示。由图3可知：断面裂纹源处受损，微观形貌不可辨识，表面覆盖有产物；断面扩展区可见明显垂直于扩展方向的疲劳条纹；断面大部分区域已受损或被氧化产物覆盖，未受损或未锈蚀区域断口呈韧窝形貌（见图3）。
对断口表面覆盖产物和齿面受损区域进行能谱分析，结果如图4所示。由图4可知：主齿轮轴齿含有Fe、Cr、C、O、Mn、K、Ca、Si等元素，未发现异常缺陷；齿面受损区域有凹坑，损伤区域表面未见异常元素。
1.3 金相检验
将断裂齿沿垂直疲劳源处剖开并截取试样，将试样磨制、抛光后置于光学显微镜下观察，裂纹源处未见氧化等异常缺陷，经体积分数为4%的硝酸乙醇溶液腐蚀后，其表面未见脱碳现象。
依据GB/T 10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验法》，在靠近疲劳源处分别切取金相试样，并将试样置于光学显微镜下观察。纵向磨制、抛光后，试样的非金属夹杂物检测结果分别为A0.5、B0、C0、D0.5、DS0级。用体积分数为4%的硝酸乙醇溶液腐蚀试样，再将试样置于光学显微镜下观察，发现明显的偏析条带（见图5）。试样经横向磨制并抛光腐蚀后，发现其表面宏观可见明显的分界线，由于齿部经过中频淬火，故推断该分界线为表面淬火区与非淬火区交界处。
淬火区边缘未发现脱碳，齿根部拐角处采用圆弧过渡，表面加工质量良好，光滑无缺陷。对淬火区及非淬火区显微组织进行观察，结果如图6所示。由图6可知：淬火区组织为针状回火马氏体[5]；淬火区与非淬火区交界处组织为回火马氏体+回火索氏体+贝氏体；非淬火区组织为回火索氏体+贝氏体；整个疲劳源区未见明显缺陷，冶金质量良好。
1.4 力学性能测试
在断裂主齿轮轴上截取试样，对其进行力学性能测试，结果如表1所示。由表1可知：试样的力学性能符合技术要求。
Table 1.断裂主齿轮轴的力学性能测试结果
依据GB/T 4340.1—2009《金属材料 维氏硬度试验 第1部分：试验方法》，对淬火区及非淬火区分别进行显微硬度测试，得到淬火区的显微维氏硬度为557 HV0.3（52.8 HRC），非淬火区的显微维氏硬度为304 HV0.3（31.2 HRC）。
1.5 化学成分分析
在断裂主齿轮轴上截取试样，并对试样进行化学成分分析，结果如表2所示。由表2可知：断裂主齿轮轴的化学成分符合GJB 1220A—2008《火炮零件用合金结构钢棒规范》的要求。
Table 2.断裂主齿轮轴的化学成分分析结果
2. 综合分析
宏观观察结果显示：主齿轮轴齿断裂面的疲劳弧线间距较大，疲劳二次台阶粗且短，属于低周疲劳断裂；轮齿表面存在不同程度的挤压变形和磨损痕迹，齿面啮合处有呈方向性的受损痕迹，这可能是敞开式齿轮传动中混入外来颗粒，或摩擦过程中金属相互作用产生磨屑而导致的磨粒磨损，且啮合区域为斜面，表明齿面啮合过程中存在受力不均的偏载现象。从疲劳源一侧的齿面受损情况可以看出，裂纹从受损齿面一端向疲劳源一端的齿顶延伸，其中疲劳源一端距离齿根最远；从受力角度分析，该处力矩最大，因此在高应力作用下会率先形成疲劳源。疲劳源位于轮齿与齿轮轴本体的交界部位，该结构相对薄弱，易产生应力集中。对主齿轮轴的SEM分析结果显示，其裂纹源处没有明显的加工及冶金缺陷，因此可排除因冶金缺陷及加工缺陷导致裂纹源的可能[6]。
主齿轮轴化学成分中各元素含量均符合标准对35CrNi1Mo钢的要求；力学性能测试结果显示材料各项性能指标均符合要求；其淬火区硬度为52.8 HRC，母材硬度为 31.2 HRC，均符合技术要求。该齿轮轴淬火区组织及非淬火区组织均正常，但显微组织中存在带状组织，而带状组织会降低钢材的冲击韧性和断面收缩率，还会导致材料形成各向异性等问题，因此需对其加以控制。此外，齿轮根部倒角加工质量良好，且齿面未发生脱碳，由此可排除热处理因素导致裂纹源生成的可能。
能谱分析结果表明：轮齿断面存在Si元素与O元素，材料制造加工过程中无Si元素引入，因此需从其使用环境加以判断。由于该主齿轮轴处于裸露环境，外部无保护措施，加上北方气候干燥、风沙较大，无法排除沙尘侵入轮齿间隙的影响因素；大颗粒的砂尘侵入会使轮齿润滑不畅，影响润滑油膜的形成，造成表面擦伤甚至磨粒磨损，随着润滑条件的恶化，轮齿间的摩擦力增大，从而影响齿轮啮合的过程，使其受力结构发生变化，进而诱发轮齿发生早期疲劳开裂[7]。
3. 结语与建议
主齿轮轴在装配或使用过程中存在偏载现象，且由于处于裸露环境，齿面在传动过程中产生磨粒磨损，进而导致载荷发生突变，在齿根应力集中处形成疲劳源。在交变应力的多次作用下，裂纹从疲劳源起始并不断扩展，随着扩展过程的进行，受力方向发生改变，疲劳条纹方向也随之不断变化，最终轮齿截面的应力超过其极限应力，从而发生断裂。
建议严格监控齿轮啮合过程中的受力结构变化，复查主齿轮轴与配合齿圈的装配及使用情况；注意防止齿轮啮合过程中有异物进入。
来源--材料与测试网