汽车轴齿断裂分析

载重汽车中间轴齿，13齿，模数M4.25，材质为20CrMnTi，渗碳后直接淬火和回火处理。该轴齿在运行一段时间后，其齿轮一端(变速l档)约1/3齿长处发生扭曲变形、折断剥落现象，如图1所示。图中可见，齿向动力传递方向扭折；承力齿面均已开裂；一部分齿已塑性变形后断裂。

在齿法向截面上的承载一侧，最表层可见有白亮层，其厚度深浅不一，最厚处达0.10mm，拟为二次淬火区。在白亮层下为较深色区域，拟为二次回火区。在内层也可见有白亮层，并伴有开裂及金属滑移，如图2所示。

在齿的非承载面一侧表层可看到金属流变层、小裂纹及向内扩展的长裂纹(长达0.45mm)。该处渗层组织为：针状马氏体、残余奥氏体和极少量碳化物；马氏体为5级；残余奥氏体过多，相当于7级，如图3所示。

在齿的法向截面上测定各区域硬度：

外表白亮区：824：813：847HVl(相当于64.0～65.0HRC)：

白亮区下回火区：560；572；542HVl(相当于52.0～57.5HRC)：

内白亮区：772：724；743HVl(相当于60.5～62.5HRC)。

从以上分析可推断，齿轮传递载荷很大，润滑条件差，该齿面接触应力己超过材料的抗剪屈服极限，齿面材料进入塑性状态，造成表面金属流动。齿承载面一侧白亮层正是这种过量变形导致温升，引发自淬火的结果。温升越高，白亮层也越厚，其下方回火区也越大。白亮层内应力大，硬度高，脆性大，易剥落，加速齿表产生疲劳失效。渗层中残余奥氏体过，降低了材料塑性变形启动的门槛值。

图1 实物

图号：图1

说明：失效轴齿实物宏观形貌。1/3齿长发生断裂及有部分齿断口处有严重变形特征。

在图中部分断齿的断口上有疲劳断裂的特征。

图2  O MI   63×

图号：图2

说明：齿断口处取样，经4％硝酸酒精溶液浸蚀后的组织形貌。可见数条裂纹从表面呈一角度向内扩展。其中一条裂纹位于次表层，与表面未贯通，见箭头所指，其形态属接触疲劳裂纹。

最表面白色区为二次淬火区；深色区为二次回火区。

图3  0MI  500×

图号：图3

说明：裂纹附近由表向内组织形貌。试样经4％硝酸酒精溶液浸蚀。最表层为金属流变层，次表层为高温回火层。接下为渗层组织：针状马氏体、大量残余奥氏体和极少量碳化物。残余奥氏体含量高达7级。