变速器齿轮断裂失效分析
 

1 前言:
某公司研制的汽车变速器齿轮在台架实验考核过程中经常发生早期断裂失效事件,为了找出齿轮发生断裂的原因,以便采取措施改进生产工艺,提高变速器齿轮的质量,公司将断裂件送中心进行断裂失效分析。齿轮材料是一种中碳含Cr、Mo的调质钢,表面通过渗碳进行硬化处理,渗碳后硬化处理后,作精磨加工。本工作通过对失效齿轮的断口、剖面金相组织、硬度等检测,分析导致齿轮早期断裂的主要原因,并提出相应的解决措施。
2 分析过程和结果:
2.1. 断口分析
变速器齿轮轴和齿轮的形状如图1,断裂件为箭头所指的斜齿轮,该齿轮与齿轮轴为热装紧密配合。齿轮断裂面如图2所示,为径向断裂面,从侧面观察,断面非常平齐,完全处在齿轮径向面上,只在靠近齿部附近断面才有较大起伏,断面是与轮齿相交的。将裂纹启开看到的断口宏观形貌如图3,断面有清楚的辐射状花样,由此看出断裂起裂于齿轮薄壁段内表面(图3标注位置),沿图中白色箭头所指方向扩展,起裂区和扩展区断口较平坦,没有塑性变形,最后断裂的轮齿部位呈银灰色,有少量变形,总体上属于宏观脆性断裂断口。

图1   变速器齿轮轴和齿轮形状

图2  变速器齿轮断面位置                     图3 断口宏观形貌

观察齿轮内表面,看到有两处严重的滑动摩擦损伤痕迹,其中损伤较为严重的一处恰位于断裂起始位置,如图4中箭头所示。损伤区形状为宽度大约4mm左右的环形带,显然是运行中与齿轮轴发生相对滑动所致。扫描电镜下观察可以看到损伤表面有许多微裂纹,紧挨断口源区可以观察到平行于断口的微裂纹,看来齿轮与轴的相对滑动造成齿轮内表面损伤,可能是导致齿轮断裂的重要原因。但是局部损伤到底是断裂的因还是果,还需要对组织进行进一步研究。

 

 图4 变速器齿轮形状和宏观断口分析

起裂源区的断口形貌如图5,看出断裂起裂于齿轮内表面机械损伤最为严重的区域,源区断口具有穿晶和沿晶混合的疲劳断口的特征,以穿晶疲劳断口为主。而扩展区边部渗碳层断口均为脆性沿晶断口,断口典型形貌照片见图6。断面薄壁段中部微观形貌均为穿晶和沿晶混合断口。轮齿部主要为韧窝状断口,断口形貌如图7。断口分析显示,裂纹源形成之前局部组织可能由于摩擦热影响发生了回火软化,故源区附近疲劳断口呈现穿晶为主的特征,离开源区的疲劳扩展区边部断口为严重的沿晶脆性断口则与边部组织保持较高的硬度有关。

 图5 断裂源区断口形貌(右图为左图的局部放大)

 

图6  扩展区边部渗碳层沿晶断口     图7   轮齿部终断区韧窝断口

 

 2.2. 剖面金相分析
在断面附近垂直表面损伤痕作剖面金相,断裂源区的组织形貌如图8。齿轮内表面渗碳区正常组织为针状马氏体+残余奥氏体组织,心部为马氏体+贝氏体组织。断裂源所在位置的表层可以观察到由于摩擦损伤导致的白亮带组织和微裂纹,白亮区附近组织有回火现象。
用显微维氏硬度计测试齿轮各区域的硬度,结果如表1所示,齿轮轮毂内表层组织显微硬度基本在730HV以上;轮毂内缘两处摩擦损伤形成的白亮区硬度830HV以上;白亮区附近组织的硬度则明显低于正常区,有回火现象;齿轮内部非渗碳区组织的硬度在430~510HV之间。
渗碳表层组织的硬度很高,是其表层区在疲劳载荷下出现完全的沿晶断口的主要原因。也因为表面硬度很高,也使得表层组织对表面损伤更加敏感。另外,过盈配合接触面硬度很高也不利于相互咬合,容易发生滑动。

 

图8  断裂源附近的摩擦损伤组织形貌(左 光学金相;右 SEM金相)

 3. 讨论和结论:
分析结果显示,齿轮断裂起始于齿轮薄壁段内表面滑动摩擦损伤位置,是在表面损伤缺陷的基础上发生裂纹疲劳扩展最后导致齿轮断裂的。
由于裂纹起始区域的断口为穿晶和沿晶混合断口,有别于扩展区域的沿晶断口,说明裂纹起裂于表面发生滑动摩擦损伤和损伤局部组织发生回火软化之后,因此可以断定齿轮与齿轮轴接触面发生滑动摩擦损伤是在裂纹产生之前发生的,即滑动摩擦产生的损伤缺陷经疲劳过程形成疲劳裂纹源。齿轮与齿轮轴之间的尺寸配合不佳,是使用中出现相对滑动的原因。因为看到有两处滑动摩擦损伤区,因此可能配合不佳主要是配合面只形成局部接触,没有形成大的接触面,使得局部接触应力过大而损伤表面,直至产生滑动。
齿轮材料表面硬度较高而韧性塑性较差,因而接触面咬合性不好,不能通过变形分散装配应力和工作应力,容易发生滑动和损伤,以致最后发生疲劳断裂。因此适当对接触面进行回火软化有利于避免该类损伤和失效的发生。
因此,接触面发生滑动摩擦损伤是导致齿轮断裂的基本原因;提高匹配面加工精度和适当降低装配接触面硬度有利于避免齿轮接触面损伤和齿轮失效的发生。




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