汽车齿轮断裂失效探析.docx

汽车齿轮断裂失效探析1理化检验与结果1．1化学成分分析用OxfordMasterPro直读光谱仪对失效齿轮进行化学成分分析见表1各元素成分符合GB/T3077—1999《合金结构钢》中20CrMoTi钢的成分要求。1．2硬度分析由于断齿部分无法进行检测硬度测试在轮齿部分保存较好的切样A上进行。选取齿轮的齿顶、分度圆和齿根位置沿着垂直表面切线方向每隔0．4mm进行维氏硬度测试加载载荷9．807N加载时间15s其测试结果见图3。近齿轮表面0．2mm处的显微硬度为736～763HV心部显微硬度295～378HV。硬化层深度根据GB/T9450—2005《钢件渗碳淬火硬化层深度的测定和校核》通常取表面至550HV处的垂直距离作为有效硬化层深度。该产品的硬度要求为:心部硬度30～40HRC(300～390HV);表面硬度58～63HRC(660～780HV)。从图3可见该齿轮齿顶处及分度圆处均在技术要求范围内但是齿根处心部测试硬度数据位于合理范围下限。从硬度曲线可以看出3处的渗碳层深度都在1．5～1．8mm之间符合产品渗层厚度要求从硬度分布来看齿轮根部硬度下降较快有产生浅层剥落的隐患。齿根位置渗层厚度较薄、分布不均匀一般可能由于齿根处温度较低或齿根处碳势较低等原因造成。1．3金相检验本试验选取切样A经打磨抛光腐蚀后在OlympusGX51明场下对样品观察显微组织如图4所示其中图4(a)为齿顶处渗碳层显微组织;图4(b～e)为分度圆处由表层到心部显微组织。由图4可见齿轮渗层组织为细小黑色针状回火马氏体及少量残留奥氏体另外还有极少量白色碳化物。由表及里的渗碳层及过渡区组织分布形态正常;心部组织主要为低碳板条马氏体和游离铁素体组织均匀;但是齿根处的心部组织有较多游离态铁素体存在。2分析与讨论该齿轮组织技术要求为:马氏体1～3级;残留奥氏体1～3级;碳化物1～3级显微组织中渗碳层组织为高碳回火马氏体+分散的细小碳化物+少量残留奥氏体心部组织为低碳回火马氏体+少量贝氏体+少量铁素体均为渗碳淬火低温回火后的正常组织。参照QC/T262—1999《汽车渗碳齿轮金相检验》判定碳化物的级别1级残留奥氏体2～3级马氏体2级齿轮的微观组织级别符合技术要求。此外在齿轮根部发现有较多游离态铁素体存在图4(e)中所示参照GB/T25744—2010《钢件渗碳淬火回火金相检验》中心部组织评级说明游离铁素体含量相对较多达到4级这与硬度测试中齿轮根部硬度下降较快相吻合也是齿根部硬度相对较低的主要原因。作者认为齿轮使用过程中存在过载现象表面渗碳层在传动啮合过程中使得齿轮表面压应力过高分度圆处或齿根处易于渗碳层破碎或裂纹在断裂后齿面表层仍能找出明显的宏观裂纹心部组织较为均匀且符合国标要求但其心部存在较多量铁素体使其硬度值接近标准下限硬度相对较低的心部不能承受随之而来过高载荷而发生断裂。断裂位置多发生于齿轮分度圆处断面较平缓有疲劳线存在这是由于反复压应力下产生疲劳裂纹最终引起齿轮的断裂。3结论汽车齿轮工作阶段发生疲劳断裂齿轮啮合传动过程中存在过载现象表面渗碳层在传动啮合过程中压应力过高表面渗碳层发生破碎剥落和微裂纹这是由于齿轮心部存在多边形铁素体使得心部硬度值偏低导致分度圆处疲劳强度降低致使裂纹扩展而断裂。作者：杨峰单位：徐州工程学院机电工程学院