20CrMnTi齒輪斷裂原因分析
減速箱齒輪在某一次運行時聲音異常，于是停機開箱進行檢査，發現個別輪齒已被打斷。齒輪材料為20CrMnTi,模數為5，齒寬80mm，52齒，由過盈配合與齒軸聯接，運行時轉速約1250r/min。齒輪經過鍛造—粗加工—滾齒—滲碳淬火—精加工—磨齒面的工藝過程，使用至今未滿半年。為了找出齒輪斷裂的原因，筆者對其進行了理化檢驗和分析。
斷口形貌分析
損壞齒輪有四處斷口。為了便于說明，對四處斷口分別做了編號。1號齒整個齒斷裂，2號齒斷面約占20%3號與4號齒斷面分別占60%和 70%,其中1號齒呈現出較為明顯的疲勞斷裂特征，為早期疲勞斷裂，裂紋產生于齒根處，向中心擴展，斷口往下凹陷，在齒寬中部較為光滑，為疲勞擴展區域。其上分布有典型的貝紋線，在弧線發展的反方向即可找到
疲勞源區，在疲勞源處有多條放射狀臺階條紋，屬于多源疲勞，說明裂源處有應力集中現象。從各齒牙斷口特征可以看出，1號齒疲勞擴展區所占比例較大，斷面光滑，貝紋線間隔較窄，瞬斷區所占比例較小，而其他3齒斷口均十分粗糙，呈放射性，未見明顯疲勞擴展特征。由此可以推斷，首先是1號齒發生了疲勞斷裂，造成了齒輪副的不正常嚙合，傳動失去平穩狀態，震動加劇，產生很大的附加載荷，隨后2、 3、4號齒相繼斷裂。檢驗中還發現，多個未折斷齒的根部也產生了長短不一的裂紋，裂紋均沿齒寬方向擴展，并且齒根附近存在明顯的加工刀痕，表面粗 糙度約12. 5pm。用掃描電鏡對斷口進行分析，疲勞區有明顯的疲勞輝紋特征,瞬斷區斷口形貌為解理+小部分韌窩。
從上述測定的結果看，齒輪材料的化學成分、滲碳層深度和硬度均符合要求。齒輪具有疲勞斷裂的基本特征，屬于疲勞斷裂。造成齒輪早期失效有以下幾方面內在原因：
齒根附近的加工刀痕，容易產生應力集中，而且缺陷或溝槽、臺階等形狀越尖銳，材料強度越高，脆性越大，則應力集中系數越大。因此，滲碳層對刀痕這類缺口較敏感，故疲勞裂紋易在滲碳層表面凹陷的刀痕處萌生。
齒根附近嚴重的非金屬夾雜破壞了金屬基體的連續性，降低了材料的強度和韌性。當金屬材料內部存在較多的非金屬夾雜物時，尤其是氧化物、硅酸鹽與氮結果分析
從上述測定的結果看，齒輪材料的化學成分、滲碳 層深度和硬度均符合要求。齒輪具有疲勞斷裂的基本特征，屬于疲勞斷裂。造成齒輪早期失效有以下幾方面內在原因：
齒根附近的加工刀痕，容易產生應力集中，而且缺陷或溝槽、臺階等形狀越尖銳，材料強度越高，脆性越大，則應力集中系數越大。因此，滲碳層對刀痕這類缺口較敏感，故疲勞裂紋易在滲碳層表面凹陷的刀痕處萌生。
齒根附近嚴重的非金屬夾雜破壞了金屬基體的連續性，降低了材料的強度和韌性。當金屬材料內部存在較多的非金屬夾雜物時，尤其是氧化物、硅酸鹽與氮化物等，盡管滲碳淬火齒輪的屈服強度很高，不易發生塑性變形，但在交變彎曲應力作用下，在夾雜物與 基體的相界處，勢必會產生位錯的塞積，從而出現不均勻的應力分布，并在夾雜物尖端形成應力集中。齒輪疲勞斷裂通常是從最薄弱的齒根部位開始，因為此處承受的交變彎曲應力最大。由于氧化夾雜物相硬而脆，影響金屬的強度，并且其彈性模量與基體不同， 裂紋擴展較之其他部位所需能量小，因此加速了疲勞裂紋的擴展。
滲碳層表面存在過量的殘余奧氏體時，由于材料的塑變抗力顯著降低，以及粗大奧氏體晶粒本身對接觸性能的不利影響，淬火后伴隨著粗大的馬氏體而容易產生微裂紋，這些因素的影響使齒輪疲勞壽命不斷降低。
鋼中存在偏析帶造成了顯微組織和化學成分的不均勻。在熱處理過程中,組織應力和熱應力在這些成分不均勻的偏析微區將會產生應力集中，相變過程產生差異，它們的各項性能也不同，在外力作用下，性能低的帶易暴露出來，強弱帶之間會產生應力集中，并且明顯的各向異性導致材料的橫向斷裂強度遠遠低于縱向斷裂強度，使得齒輪的總體力學性能大大減低。
以上各種誘發因素的疊加使齒根的疲勞強度不斷降低，所承受的應力很快達到臨界破斷應力值，裂紋首先在這里萌生并擴展斷裂。
齒輪在交變彎曲應力作用下產生疲勞斷裂，齒根表面留下的加工刀痕，以及材料內部的非金屬夾雜、大量的殘留奧氏體和嚴重的偏析，增大了應力集中程度，降低了材料的強度，是造成齒輪早期疲勞失效的主要原因。
建議機加工時注意齒面與齒槽之間的過渡，提高加工精度，避免留下刀痕；嚴格控制鍛造工藝，增大毛坯的鍛造比，改善夾雜物的分布狀態，在晶粒度不超出合格范圍的前提下，適當提高正火溫度，延長保溫時間，以消除帶狀組織；滲碳淬火溫度不宜過高，在淬火后應及時回火，避免奧氏體熱穩定化，在低溫回火后應快冷，如有必要可在淬火后進行深冷處理。
