混料机行星齿轮失效分析

失效齿轮为玻璃制品厂用于混料的混料机行星齿轮，齿轮材料为20CrMo，经渗碳处理。工作时齿轮转速为1450r/min，使用一年后齿轮损坏。

失效齿轮实物形貌如图1所示，齿轮的13个齿均有不同程度的损坏。所有齿的啮合面受力侧均有大面积的点状和片状剥落特征，如图2所示。大块剥落后的断口较光滑平整，且能观察到放射状条纹及贝纹线特征，根据放射状及贝纹线形态，可判断断裂纹源均起始于啮合面的剥落坑，如图3所示。通常接触疲劳由麻点剥落和片层状剥落现象，当接触应力较高时常出现片状剥落。因此可推断该齿轮工作时接触应力很高。

用复型方法对齿表面的片状剥落断口作电镜观察，观察到疲劳辉纹特征，见图4，证明剥落确属疲劳断裂。在断口上还观察到韧窝及准解理断裂特征，这是由于当疲劳裂纹扩展一定深度后发生大块片状剥落时在最后瞬断区内形成。

在失效齿轮上取样作金相分析，经3％硝酸酒精溶液浸蚀后，可见渗碳层最表面显微组织为细针状马氏体和残余奥氏体，如图7所示；心部组织为低碳马氏体和少量铁素体。如图l4—9所示。过渡层显微组织为针状马氏体、板条状低碳马氏体和极少量的残余奥氏体的混合组织，如图8所示。

分析结论：齿轮损坏属于接触疲劳剥落失效。齿轮工作时在啮合面受力侧存在很高的接触应力，使用过程中超负荷导致接触疲劳是失效的主要原因。

图1  实物

图号：图1

说明：失效齿轮宏观形貌，l3只齿均有剥落现象。

图2  1×

图号：图2

说明：大块片状剥落齿的宏观形貌，有贝纹线特征。根据贝纹线形态可判断裂纹源起始于啮合面的受力侧。

图3  1×

图号：图3

说明：图中除有贝纹线特征外还有放射状条纹。这种放射状条纹是在疲劳裂纹扩展到相当深度后，剥落时形成的快速断裂区。

图4

图号：图4

说明：剥落断口上具有贝纹线的部位透射电镜照片，有疲劳辉纹特征。

图5

图号：图5

说明：断口上放射状特征部位的电镜形貌，具有准解理断裂特征。

图6

图号：图6

说明：断口上有放射状特征部位的电镜形貌，具有韧窝特征。

图7

图号：图7

说明：齿轮齿表面渗碳层显微组织形态，细针状马氏体和残余奥氏体(经3％硝酸酒精溶液浸蚀)。

图8

图号：图8

说明：渗碳层过渡区显微组织为针状马氏体、板条马氏体和少量残余奥氏体(经3％硝酸酒精溶液浸蚀)。

图9 0MI 500×

图号：图9

说明：心部显微组织为板条马氏体和少量铁素体(3％硝酸酒精溶液浸蚀)。