偶合器齿轮破裂分析

液力偶合器中一对人字齿轮，模数为6，33齿，宽度约为90mm，由过盈配合与齿轴联接。齿轮材质为20Cr2Ni4，经过锻造→粗加工→渗碳→精加工→淬火、回火→滚齿面的工艺过程。齿轮工作转速达6025r/min，间隙运行，累积工作时间4年多后发生大块破裂故障，如图1所示。图中可见齿连片沿外圆切平面方向剥离。破断区连续9牙开裂，其中连齿大的碎块达6牙，破裂最深处约在齿轮外圆的1/2R处，如图2所示。

在各断口上的大部分区域呈细瓷状，并有明显的弧形扩展线(海滩花样)在其终止区中很小区域为纤维状断口。由弧线发展的反方向即可找到开裂源区，如图3所示。图中A处另有一碎点齿块可拼接，如图4所示碎齿块。在其断口边缘处可见裂源起始区有一个弧形台阶(箭头所指)。在其他碎齿块断口上可看到由齿根部起始的弧形花样，如图5所示。

在未损坏区，未发现有裂纹，齿面啮合区也无异常现象。

在齿的法向截面试样上，可看到渗碳层组织正常。在齿根处，表面可见沿晶界微裂纹及扩展的长裂纹，其组织为马氏体及少量铁素体，如图6所示。表明在渗碳后的淬火过程中有脱(贫)碳现象。

在扫描电镜下，可看到开裂源区有显微孔洞，有沿晶断裂特征，如图7所示；并可见解理及准解理花样，以及与裂纹扩展方向垂直的二次裂纹，如图8所示。在裂纹扩展区发现有疲劳辉纹。

由断口瞬断区所占比例及疲劳辉纹推断，该齿轮为低应力高周疲劳断裂。源区的微观孔洞，沿晶开裂等特征推断齿轮渗碳过程中有氢损伤现象，及淬火过程中表面有脱(贫)碳，使齿轮齿根部的疲劳强度下降，形成疲劳源，随后以疲劳扩展方式使其沿齿根断裂。

图1 实物

图号：图1

说明：破裂失效齿轮实物形貌。

图号：图2

说明：齿轮上断裂碎块拼接后形貌。

图3 1×

图号：图3

说明：齿轮断口呈细瓷状，光滑平坦，有疲劳弧线(海滩花样或贝纹线)，图中白色箭头所示为疲劳源，其余箭头所示方向为疲劳裂纹扩展方向，箭头A所示处与图4中箭头A所示处断口相连接。

图4

图号：图4

说明：齿轮上另一断齿断口形貌，同样具有疲劳断口贝纹线的宏观形貌，该断口与图3中断口相连接，箭头A所示处与图3中箭头A可相拼接。其余箭头所指代表裂纹扩展方向。

图5  1×

图号：图5

说明：另一断齿的断口形貌，同样有疲劳贝纹线，疲劳源位于齿根源区，有多条台阶条纹，说明齿根部有多源及应力集中现象，图中箭头所示为裂纹扩展方向。

图6  0MI 1000×

图号：图6

说明：断齿疲劳源处显微组织，经4％硝酸酒精溶液浸蚀。齿根表面处有沿晶裂纹，中间一根长裂纹由表向内扩展，其裂纹形态平直，尖端较尖，属疲劳裂纹。显微组织为马氏体和少量铁素体，表面有脱(贫)碳现象。

图7 SEl  500×

图号：图7

说明：疲劳源区附近断口形貌为沿晶断裂，局部有显微孔洞。

图8  SEl  500×

图号：图8

说明：疲劳扩展区断口形貌，具有疲劳辉纹形貌。