关于齿轮轴裂纹失效分析与防护对策

摘要：目的 对某齿轮轴产生裂纹原因进行分析。方法 对齿轮轴断口进行宏观分析、化学成分分析、力学性能测试、非金属夹杂物分析、组织形貌分析等，通过扫描电镜对断口形貌进行分析，通过EDS能谱对裂纹周边产物进行分析，对失效机理进行材料学探究，综合总结样品防护对策。结果 该样品化学成分符合JB/T 6395-2010《大型齿轮、齿圈锻件 技术条件》中17Cr2Ni2Mo化学成分要求，样品金相组织微观形貌表层为马氏体组织，铁素体及少量贝氏体，样品中非金属夹杂物为i=1粗系级，裂纹形貌为应力裂纹，经EDS能谱分析裂纹周边腐蚀产物及断口分析，该样品因非金属夹杂物含量超标及不良组织导致应力集中，最终形成应力裂纹。结论 该齿轮轴由于非金属夹杂物含量超标及不良组织导致应力集中，最终形成应力腐蚀裂纹导致失效。对策 在样品选材中应严格检测，使用合格样品锻造，避免杂质含量超标导致应力集中。

关键词：齿轮轴；断口；失效分析；应力集中；裂纹

前言

齿轮轴是传动部件重要组成配件之一，要求具有高强度、高硬度。在齿轮传动中起到受力与传递作用，受设计与加工要求，为保证齿面高硬度和耐磨性，并兼顾轴心良好的韧性，一般选用低碳的合金渗碳钢制造[1-2]。渗碳钢在锻造成型后，为提高可加工性与耐磨性，表面采用调质与渗碳工艺[3-6]。齿轮轴表面渗碳目的是为了在齿轮轴表面获得一定深度的高碳层，在随后的淬火过程中形成高硬度的高碳马氏体层，从而保证齿面的高硬度和耐磨性，同时轴心部位保持韧性良好的低碳马氏体组织，保证齿轮轴具有良好的冲击韧性。为了分析齿轮轴开裂失效原因，避免今后发生类似开裂失效问题，通过化学化成分分析、宏观观察、断口分析、金相检验、扫描电镜及能谱分析等方法，对齿轮轴开裂进行了失效分析。

1 分析方法

1.1宏观检测

通过目视对样品使用环境进行分析观察，收集相关信息，采用数码相机对样品断口及宏观形貌记录分析，观察断口细微特征，裂纹形貌，记录裂纹长度，宽度等数据信息。

1.2微观检测

采用蔡司金相显微镜及扫描电镜对失效部位微观观察，通过金相电子显微镜对样品热处理组织，非金属夹杂物等进行综合分析，采用扫描电镜对样品断口微观形貌分析测试。

1.3理化检测

通过火花直读光谱仪对材料进行化学成分分析，利用维氏硬度计对样品部位硬度测试分析，采用EDS能谱仪对失效部位元素进行分析测试。

2 分析结果

2.1 样品宏观形貌分析

该齿轮轴经出厂合格检验，正常使用20天后发现裂纹，裂纹出现部位为齿轮轴传动受力部位，齿轮轴在工作时受到圆周方向周期变化且垂直于轴表面的传动力。裂纹从齿轮轴表面贯穿至内部，齿轮轴断裂部位取样见图1所示。由图可以看出，裂纹为轴向裂纹，并沿着径向扩展，几乎贯穿整个齿轮轴，仔细观察表面，并未有擦伤现象，该齿轮轴在加工与装备过程中并未发生碰撞，宏观表面排除外力导致应力集中现象。在断口周围有轻微的孔洞现象，裂纹从表面观察具有河流状分散结构，裂纹具有尖端扩散现象，未发现贝壳纹及白点现象，裂纹周边也无明显的冶金缺陷，在裂纹周围有部分腐蚀产物。

2.2样品化学成分分析

对样品采用火花直读光谱仪对样品进行元素分析，化学成分标准按JB/T 6395-2010《大型齿轮、齿圈锻件 技术条件》，结果如下：

齿轮轴材料成分分析结果表明，该齿轮轴碳元素及合金元素含量均符合17Cr2Ni2Mo标准要求，且表层与心部材料成分基本均匀一致。

2.3样品金相分析

对失效部位裂纹周边进行金相分析，如图2所示，腐蚀后发现金相组织为马氏体及白色块状游离铁素体，图片中存在少量贝氏体组织。在腐蚀后可以看出，裂纹沿晶界扩展，晶界上腐蚀现象较为严重。齿轮轴表面渗碳后经淬火及调质处理，齿轮轴表面经淬火后为马氏体及白色铁素体，在裂纹周围存在贝氏组织，马氏体是温变引起相变转换，在不断降温条件下快速形成马氏体，由原奥氏体晶粒转变形成单一相马氏体，在调质回火过程中，由于渗碳后，表层碳含量增加，在调质中，恒温保持形成碳元素扩散，合金元素未扩散，导致贝氏体产生。

对样品心部组织腐蚀，如图3所示原奥氏体晶粒度为9级，符合GB/T 13320 -2007《钢质模锻件金相组织评级图及评定方法》中晶粒度5级以上的标准要求。对样品表面按GB/T10561-2017《钢中非金属夹杂物评定》评定，齿轮轴抛光面低倍分析结果表明，非金属夹杂物按GB/ T 10561-2017《钢中非金属夹杂物评定》图谱法评定为i=1粗系级，但存在微观孔洞，呈单个和团聚状分布。

2.4样品显微硬度分析

对样品表面按GB/T 9450-2005《钢件渗碳淬火硬度层深度的测定与校核》进行分析，结果如表2所示。齿轮轴表层显微维氏硬度测试结果表明，齿轮轴表面存在2mm以上硬化层。

对裂纹周围进行显微维氏硬度分析，裂纹周边硬度平均值HV439，明显低于周边显微维氏硬度，验证了贝氏体存在。

2.5样品微观断口形貌分析

如图4所示，将样品断裂区域取下，采用酒精超声清洗，采用场发射扫描电镜对图A、B、C三个部位分别进行微观检查及微区能谱分析，如图4所示

扫描电镜微观断口形貌分析结果表明，齿轮轴微观断口形貌基本以准解理断口形貌为主，另带有少量韧性撕裂区，断口总体呈现出显著的脆性特征。值得注意的是，在脆性解理断裂区表面清晰可见部分微观孔洞（孔洞直径在10～20μm）和微裂纹，而韧性撕裂区表面未见微观孔洞和微裂纹，且脆性解理断裂区和韧性撕裂区存在明显的边界，表明微观孔洞和微裂纹的存在显著增加了其周围材料的脆性，并结合齿轮轴金相分析结果，这些微观孔洞和微裂纹基本可以判定由于该材料在调质回火过程中恒温时间较长，导致贝氏体产生，材料内部微观孔洞存在非金属夹杂物，最终导致材料应力集中，在使用中因应力集中导致失效。

EDS微区能谱成分分析结果表明，齿轮轴断口表面不含硫元素，但硅、钙等杂质元素含量偏高，断口表面氧含量来源于断口表面腐蚀产物（氧化铁），结合考虑齿轮轴断口形貌、裂纹分析和金相组织分析等结果，该裂纹源周围存在应力集中。

3 分析与讨论

该齿轮轴碳元素及合金元素含量均符合标准要求，且表层与心部材料成分基本均匀一致，依据化学成分标准按JB/T 6395-2010《大型齿轮、齿圈锻件 技术条件》，符合相关技术条件。齿轮轴微观断口形貌基本以准解理断口形貌为主，另带有少量韧性撕裂区，断口总体呈现出显著的脆性特征。断口表面微观孔洞夹杂和微裂纹。

样品在渗碳处理后的淬火加热过程中，采用渗碳气氛进行还原气氛保护，给渗碳气氛中恒温环境给贝氏体产生创造了条件。锻造工艺中对样品进行过正火+高温回火处理、热处理工艺中进行过调质处理，即使原始锻件氢含量可能超标的话，也会通过随后的三次高温氧化性气氛条件下的长时热处理而得以大部消除，排除氢脆的可能性。通过EDS微区能谱及断口分析，在裂纹周围存在非金属夹杂物含量过高，因此组织变化及非金属夹杂物超标是导致应力集中的主要原因，最终导致齿轮轴开裂。

材料在特定的环境中，当存在应力时，由于材料失重，在特定环境下，应力集中导致裂纹腐蚀开裂。特别力值加载方向和解理面垂直，此时裂纹面和解理面平行，裂纹很容易扩展。因此部分工件需注意热处理工艺，原材料选择，避免危害。

4 结论

1.该齿轮轴在渗碳过程中因渗碳气氛温度在200摄氏度导致不良组织贝氏体的产生，在随后热处理工艺中并未完全消除。

2.原材料本身存在非金属夹杂物含量偏高，导致材料应力集中，在使用过程中产生应力腐蚀裂纹，导致失效。

5 防护措施

1.在淬火马氏体热处理过程中尽量加快冷速，由奥氏体向马氏体完成转变，在渗碳气氛过程中，调整热处理温度，在后续过程中及时对金相组织及硬度进行分析，避免不良组织的产生。

2.原材料应提前对非金属夹杂物进行分析测试，在冶炼过程中，控制非金属夹杂物的含量。

参考文献

[1] API Spec 5DP—2009， Specification for drill pipe[S].

[2] 王长健. S135 钻杆腐蚀孔洞形成原因分析[J]. 表面技术， 2016， 45（3）： 58-63.

[3] 赵金兰， 李京川， 瞿婷婷， 等. 某 S135钻杆管体断裂失 效原因分析[J]. 焊管， 2018， 41（11）： 48-54.

[4] 陈长青， 李齐富， 刘进田， 等. f127 mm S135 型钻杆管体刺穿失效分析[J]. 石油矿场机械， 2013， 42（1）： 59-61.

[5] ZHOU Y L， CHEN J， XU Y， et al. Effects of Cr， Ni and Cu on the corrosion behavior of low carbon microalloying steel in a C1 containing environment[J]. J mater sci technol， 2013， 29 （2） ： 168.

[6]梁裕如，姬丙寅.某输油管道腐蚀泄漏失效原因分析[J].表面技术，2016，45（8）：68-73.