一种大型齿轮组织缺陷及其开裂失效分析

发布时间：2020-09-29 09:59

　　两件大型渗碳齿轮在磨齿及静置的过程中发生开裂,现场检查发现两件齿轮的裂纹均出现在齿轮辐板圆孔。本论文以两件开裂的大型渗碳齿轮为研究对象,利用扫描电子显微镜(SEM)、光学电子显微镜(OPM)详细观察研究了齿轮的宏观及微观组织特征；利用发射光谱仪(OES)、X射线能谱仪(EDX)研究了齿轮材料的基体成分及微区成分。通过对开裂齿轮的宏观断口及微观断口的观察研究确定了两件齿轮的开裂机制及失效原因。论文主要结论如下： (1)这两件齿轮的材质为20CrMnTi钢,正常区基体化学成分符合技术要求,齿轮表面进行了渗碳处理。 (2)这两件齿轮基体普遍存在冶金缺陷-宏观点状偏析,偏析等级为此类缺陷中最严重的4级,尤其在裂纹源区出现了较大尺寸的偏析区(24x47mm和27×12mm),在宏观点状偏析区的Si、Mn、P、S、Cr等元素含量均高于正常区基体。 (3)点状偏析区与正常区域的微观组织存在明显差异：辐板表层偏析区由淬火马氏体和残余奥氏体组成,正常区由回火马氏体组成；辐板心部偏析区组织为贝氏体和沿晶断续铁素体,正常区基体组织为细片状珠光体和沿晶粗网状铁素体。 (4)两件齿轮断口呈沿晶断裂形貌,其沿晶小刻面上存在韧性撕裂或“鸡爪”痕迹,表现出氢致开裂的断口特征,两件齿轮的失效形式均属于氢致沿晶开裂。 (5)辐板心部存在的点状偏析区为氢脆开裂提供了组织条件：偏析区存在过量的P、S元素、出现了对氢脆更为敏感的贝氏体组织,在齿轮辐板裂纹源区存在的较大尺寸的偏析缺陷成为吸氢的“陷阱”,随着偏析区氢含量的增加,界面强度降低,最终导致富氢区开裂。氢可能是在材料熔炼或铸造的过程中引入的。
【学位单位】：大连海事大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2010
【中图分类】：TH132.41
【部分图文】：

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第三章大型齿轮开裂失效分析3.1宏观形貌观察失效齿轮(齿轮n)如图3.1所示(对于齿轮1只提供断裂部位残片)。两件齿轮均在齿轮辐板圆孔间出现了周向裂纹，且裂纹贯穿齿轮上下端面和辐板圆孔表面(图 3.2)。爵爵摹摹麟麟耀黔瓣麟黔耀瓣瓣瓣揍绍接姻那那塞一瞬麟缈豁豁曰万云云云跳跳跳秘哪哪鹅黔瞬耀麟撇撇昭皿皿皿篡篡篡瓢瓢夔缪缪豁豁蘸瓢瓢蘸蘸擎擎蘸瞬彭窿群瑟卿舜罐 iiiii瞧彝暴暴嘿嘿骥耀黔黔馨馨豁豁赘赘豁豁肇黔黔!霎馨馨}}}】】】】图3.1开裂失效的大齿轮 Fig.3.1Crackedgear(gearll)

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一种大型齿轮组织缺陷及其开裂失效分析(l)齿轮I齿轮I的宏观断口形貌如图3.3所示，从断口形貌可以看出，在齿轮I辐板断口四分之一中心处出现了2处相距较近且独立的放射状裂纹扩展痕迹，将2处放射状试块标记为A、B。根据该断口表面颜色和粗糙程度，由中心向外将两个试块表面分别标记为AI、A2、A3和BI、BZ、B3区域。图3.3齿轮辐板断口宏观形貌 Fig.3.3MacroshaPeofthefraeturesuri五ee从图3.3中可以看到，放射中心区域Al和Bl处断口表面非常平整，断口为银灰色且呈金属光泽;在A2和BZ区域表面略为粗糙，其表面仍呈银灰色;A3和B3区域表面较粗糙，表面多处存有锈迹，且该断口在宏观上完全没有塑性变形的痕迹，这表明该件齿轮属于脆性开裂失效。分别测定了2个试块的两个区域尺寸

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观断口形貌特征可以确定，Al和Bl区域为裂纹源区，A2和BZ区域为裂纹缓慢扩展区，A3和B3区域为裂纹快速扩展区。从图3.3及图3.4中可以看到，Al和Bl为两个独立的裂纹源区且处于不同平面，其间以撕裂台阶相连。撕裂合图3.4裂纹源Bl区宏观形貌及撕裂台阶形态 Fig.3.4MaerograPhofcrackoriginregionBlandtearingsteP(2)齿轮11将齿轮11的裂纹部位切下，并将裂纹展开形成断口(图3.5)，断口观察显示，矩形断口中间比较平坦，在断口表面出现了放射状裂纹扩展痕迹，且放射台阶内低外高，在矩形断口外缘，断口趋于平坦。此外我们还注意到，在断口上的两侧端面

【参考文献】