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汽車轉(zhuǎn)向機小齒輪斷齒失效分析
針對轉(zhuǎn)向機橫向加載試驗中小齒輪發(fā)生斷齒失效，采用光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡、X 射線能譜分析和維氏硬度測試等方法對小齒輪斷齒原因進(jìn)行分析。結(jié)果表明：齒根表面軟化點及軟化區(qū)域的存在是導(dǎo)致齒輪過載斷裂的主要原因。其次，較大量的硫化物夾雜是導(dǎo)致齒輪斷齒的另一個主要原因。
2022-08-13 16:54:37
齒輪是汽車轉(zhuǎn)向機重要的安全零件之一。小齒輪與齒條嚙合，將方向盤的手力扭矩轉(zhuǎn)換為齒條的橫向移動力，從而推動左右兩側(cè)拉桿并連接輪胎左右轉(zhuǎn)向。反之，輪胎受路面沖擊，也會通過拉桿傳遞給齒條，并通過小齒輪與齒條的嚙合，對小齒輪施加逆向沖擊力。在設(shè)計、生產(chǎn)小齒輪時，應(yīng)保證小齒輪的強度，避免受過載沖擊發(fā)生斷齒失效，引起轉(zhuǎn)向機故障和造成車輛駕駛事故。本文通過對汽車轉(zhuǎn)向機小齒輪斷齒進(jìn)行失效分析，找到引起斷齒失效的原因，并提出改進(jìn)措施，避免小齒輪斷齒現(xiàn)象的發(fā)生，同時為類似齒輪斷齒分析提供相關(guān)借鑒。
01
概述
汽車轉(zhuǎn)向機在做模擬路面逆向沖擊的橫向加載試驗時，發(fā)生小齒輪斷齒失效現(xiàn)象。小齒輪材料為 ZF208，斜齒輪，齒部表面經(jīng)感應(yīng)淬火和回火處理，表面硬度要求為 56HRC～ 61HRC，齒根部區(qū)域感應(yīng)淬火深度要求 0.7mm～1.7mm。該小齒輪共有 9 齒，試驗后其中 1 個齒從齒根處發(fā)生斷裂，斷齒宏觀形貌見圖 1 所示。為查明該小齒輪斷齒原因，對其進(jìn)行檢驗和分析。
02
檢驗和分析
宏觀檢測和斷裂起始位置確定：斷口處宏觀形貌見圖 2，斷齒發(fā)生在感應(yīng)淬火段近端頭側(cè)。斷面在縱向兩側(cè)向齒頂擴展，斷面呈灰色，弧形對稱下凹，**頂部近齒根（A 向）相對較細(xì)，近圖下側(cè)（B 向）相對粗糙，并可見由上側(cè) A 向朝下側(cè) B 向及左右的放射狀花紋，表明 A 向（圓圈區(qū)域）為斷裂起始區(qū)。
掃描電鏡和 X 射線能譜分析： 對斷齒進(jìn)行清洗和干燥，根據(jù) JB/T 6842-1993 標(biāo)準(zhǔn)， 在掃描電鏡中進(jìn)行精細(xì)觀察和分析。圖 3 是斷裂起始位置的 SEM 形貌，可清晰地看到裂紋交匯于照片底部的圓圈處，對該處進(jìn)一步放大形貌如圖 4 所示。圖 4 中主要為穿晶斷裂，并存在了大量的二次裂紋，二次裂紋表現(xiàn)為沿晶界擴展，這是 典型的脆性斷裂特征，表明該處承受了超過材料承載能力的載荷而發(fā)生了過載斷裂。在裂紋起始處可看到大量細(xì)小的韌窩，如圖 5 所示，這是塑性變形的特征。同時可看到有較明顯的塑變滑移線，進(jìn)一步說明在裂紋起始處發(fā)生了塑性變形。按照該零件表面硬度要求，該處為硬化組織，不應(yīng)發(fā)生塑性變形，若發(fā)生了塑性變形，通常是由于該處的強度不足所致。
同時可見條狀夾雜物分布，根據(jù) GB/T 17359-2012 標(biāo)準(zhǔn)，對上述條狀夾雜物進(jìn)行 X 射線能譜分析，除可見主量元素 Fe 峰線外，還可見 S，Mn 元素峰線，表明夾雜為硫化物，能譜曲線見圖 6，元素參考含量見表 1。硫化物的分布沿著齒向，靠近齒根部位存在，破壞了鋼基體的均勻性和連續(xù)性，對材料的強度和疲勞性能影響較大。夾雜物的存在，還會在該處造成應(yīng)力集中，容易成為疲勞源，將**削弱該部位的抗拉強度。圖 7 是斷裂起始處及附近的硫化物夾雜。
斷面金相分析：
斷面低倍下組織分布形貌
在斷面法向截面上進(jìn)行金相分析。該區(qū)域組織分布形貌見圖 8 所示，可見斷面處于感應(yīng)淬火層內(nèi)，兩側(cè)起始區(qū)、終斷區(qū)均位于齒根部。A 向起始區(qū)高倍下形貌見圖 9 所示，斷面表層局部沿晶分布，根據(jù) JB/T 9204-2008 標(biāo)準(zhǔn)，表層組織為細(xì)馬氏體，馬氏體可評為 5 級。
斷面 A 向表層組織形貌
斷面中間區(qū)域組織分布形貌見圖 10 所示，圖上側(cè)為感應(yīng)淬火層，可見表層不甚平整，高倍下可見表層組織見圖 11 所示，根據(jù) JB/T 9204-2008 標(biāo)準(zhǔn)，可判定為馬氏體+鐵素體。從金相試驗可知，斷裂層同時存在細(xì)馬氏體和馬氏體+鐵素體，且淬火層相對不平整，因此該區(qū)域可能存在硬度不均勻現(xiàn)象。
斷面中間區(qū)域表層組織分布形貌
斷面中間區(qū)域表層組織分布形貌
硬度測試：根據(jù) GB/T 4340.1-2009 標(biāo)準(zhǔn)，沿著零件表面從斷裂起始位置至齒根進(jìn)行顯微硬度測試，顯微硬度測試位置及結(jié)果如圖 12 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)靠近表面處存在部分硬度值低于600HV 的軟化點和軟化區(qū)域，該現(xiàn)象應(yīng)是淬火不均勻?qū)е隆?/span>
顯微硬度測試位置及結(jié)果
在斷裂齒 A 向齒根部區(qū)域由表及里測定硬度梯度，結(jié)果見表 2。根據(jù) GB/T 5617-2005 標(biāo)準(zhǔn)和圖紙要求，**硬度值 HVMS=615HV(56HRC)，極限硬度值 HVHL=75%×HVMS= 461HV，測得硬化層深度 DS=1.10mm，符合圖紙淬火深度 0.7mm~1.7mm 的要求。
化學(xué)成分分析： 根據(jù) GB/T 4336-2002 標(biāo)準(zhǔn)，在失效樣件上取樣進(jìn)行化學(xué)分析，結(jié)果見表 3，符合圖紙標(biāo)準(zhǔn)要求。
03
結(jié)論和建議
由上述測試分析可知，小齒輪斷裂失效為過載斷裂，斷裂起始位置在靠近齒根部位。在顯微硬度測試中，發(fā)現(xiàn)了近表面處存在軟點和軟組織，這是造成強度不足過載斷裂的主要原因。同時，在斷裂起始位置附近發(fā)現(xiàn)了大量的硫化物夾雜，沿著軸向分布并處于表面附近，使齒輪的承載能力**下降，這是造成過載斷裂的另一個主要原因。
建議進(jìn)行熱處理工藝時，采用高頻感應(yīng)淬火工藝，可使小齒輪零件表面實現(xiàn)組織強化，得到較高的表面硬度；同時，組織細(xì)小，強韌性配合好，具有較高的強度和多沖抗力，能滿足轉(zhuǎn)向小齒輪的使用性能要求。
建議對來料嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，并定期取樣檢驗相關(guān)成分，確保材料中無較多夾雜物。
01
概述
汽車轉(zhuǎn)向機在做模擬路面逆向沖擊的橫向加載試驗時，發(fā)生小齒輪斷齒失效現(xiàn)象。小齒輪材料為 ZF208，斜齒輪，齒部表面經(jīng)感應(yīng)淬火和回火處理，表面硬度要求為 56HRC～ 61HRC，齒根部區(qū)域感應(yīng)淬火深度要求 0.7mm～1.7mm。該小齒輪共有 9 齒，試驗后其中 1 個齒從齒根處發(fā)生斷裂，斷齒宏觀形貌見圖 1 所示。為查明該小齒輪斷齒原因，對其進(jìn)行檢驗和分析。
02
檢驗和分析
宏觀檢測和斷裂起始位置確定：斷口處宏觀形貌見圖 2，斷齒發(fā)生在感應(yīng)淬火段近端頭側(cè)。斷面在縱向兩側(cè)向齒頂擴展，斷面呈灰色，弧形對稱下凹，**頂部近齒根（A 向）相對較細(xì)，近圖下側(cè)（B 向）相對粗糙，并可見由上側(cè) A 向朝下側(cè) B 向及左右的放射狀花紋，表明 A 向（圓圈區(qū)域）為斷裂起始區(qū)。
掃描電鏡和 X 射線能譜分析： 對斷齒進(jìn)行清洗和干燥，根據(jù) JB/T 6842-1993 標(biāo)準(zhǔn)， 在掃描電鏡中進(jìn)行精細(xì)觀察和分析。圖 3 是斷裂起始位置的 SEM 形貌，可清晰地看到裂紋交匯于照片底部的圓圈處，對該處進(jìn)一步放大形貌如圖 4 所示。圖 4 中主要為穿晶斷裂，并存在了大量的二次裂紋，二次裂紋表現(xiàn)為沿晶界擴展，這是 典型的脆性斷裂特征，表明該處承受了超過材料承載能力的載荷而發(fā)生了過載斷裂。在裂紋起始處可看到大量細(xì)小的韌窩，如圖 5 所示，這是塑性變形的特征。同時可看到有較明顯的塑變滑移線，進(jìn)一步說明在裂紋起始處發(fā)生了塑性變形。按照該零件表面硬度要求，該處為硬化組織，不應(yīng)發(fā)生塑性變形，若發(fā)生了塑性變形，通常是由于該處的強度不足所致。
同時可見條狀夾雜物分布，根據(jù) GB/T 17359-2012 標(biāo)準(zhǔn)，對上述條狀夾雜物進(jìn)行 X 射線能譜分析，除可見主量元素 Fe 峰線外，還可見 S，Mn 元素峰線，表明夾雜為硫化物，能譜曲線見圖 6，元素參考含量見表 1。硫化物的分布沿著齒向，靠近齒根部位存在，破壞了鋼基體的均勻性和連續(xù)性，對材料的強度和疲勞性能影響較大。夾雜物的存在，還會在該處造成應(yīng)力集中，容易成為疲勞源，將**削弱該部位的抗拉強度。圖 7 是斷裂起始處及附近的硫化物夾雜。
斷面金相分析：
斷面低倍下組織分布形貌
在斷面法向截面上進(jìn)行金相分析。該區(qū)域組織分布形貌見圖 8 所示，可見斷面處于感應(yīng)淬火層內(nèi)，兩側(cè)起始區(qū)、終斷區(qū)均位于齒根部。A 向起始區(qū)高倍下形貌見圖 9 所示，斷面表層局部沿晶分布，根據(jù) JB/T 9204-2008 標(biāo)準(zhǔn)，表層組織為細(xì)馬氏體，馬氏體可評為 5 級。
斷面 A 向表層組織形貌
斷面中間區(qū)域組織分布形貌見圖 10 所示，圖上側(cè)為感應(yīng)淬火層，可見表層不甚平整，高倍下可見表層組織見圖 11 所示，根據(jù) JB/T 9204-2008 標(biāo)準(zhǔn)，可判定為馬氏體+鐵素體。從金相試驗可知，斷裂層同時存在細(xì)馬氏體和馬氏體+鐵素體，且淬火層相對不平整，因此該區(qū)域可能存在硬度不均勻現(xiàn)象。
斷面中間區(qū)域表層組織分布形貌
斷面中間區(qū)域表層組織分布形貌
硬度測試：根據(jù) GB/T 4340.1-2009 標(biāo)準(zhǔn)，沿著零件表面從斷裂起始位置至齒根進(jìn)行顯微硬度測試，顯微硬度測試位置及結(jié)果如圖 12 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)靠近表面處存在部分硬度值低于600HV 的軟化點和軟化區(qū)域，該現(xiàn)象應(yīng)是淬火不均勻?qū)е隆?/span>
顯微硬度測試位置及結(jié)果
在斷裂齒 A 向齒根部區(qū)域由表及里測定硬度梯度，結(jié)果見表 2。根據(jù) GB/T 5617-2005 標(biāo)準(zhǔn)和圖紙要求，**硬度值 HVMS=615HV(56HRC)，極限硬度值 HVHL=75%×HVMS= 461HV，測得硬化層深度 DS=1.10mm，符合圖紙淬火深度 0.7mm~1.7mm 的要求。
化學(xué)成分分析： 根據(jù) GB/T 4336-2002 標(biāo)準(zhǔn)，在失效樣件上取樣進(jìn)行化學(xué)分析，結(jié)果見表 3，符合圖紙標(biāo)準(zhǔn)要求。
03
結(jié)論和建議
由上述測試分析可知，小齒輪斷裂失效為過載斷裂，斷裂起始位置在靠近齒根部位。在顯微硬度測試中，發(fā)現(xiàn)了近表面處存在軟點和軟組織，這是造成強度不足過載斷裂的主要原因。同時，在斷裂起始位置附近發(fā)現(xiàn)了大量的硫化物夾雜，沿著軸向分布并處于表面附近，使齒輪的承載能力**下降，這是造成過載斷裂的另一個主要原因。
建議進(jìn)行熱處理工藝時，采用高頻感應(yīng)淬火工藝，可使小齒輪零件表面實現(xiàn)組織強化，得到較高的表面硬度；同時，組織細(xì)小，強韌性配合好，具有較高的強度和多沖抗力，能滿足轉(zhuǎn)向小齒輪的使用性能要求。
建議對來料嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，并定期取樣檢驗相關(guān)成分，確保材料中無較多夾雜物。
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