20CrMnTi齿轮断裂原因分析
减速箱齿轮在某一次运行时声音异常，于是停机开箱进行检査，发现个别轮齿已被打断。齿轮材料为20CrMnTi,模数为5，齿宽80mm，52齿，由过盈配合与齿轴联接，运行时转速约1250r/min。齿轮经过锻造—粗加工—滚齿—渗碳淬火—精加工—磨齿面的工艺过程，使用至今未满半年。为了找出齿轮断裂的原因，笔者对其进行了理化检验和分析。
断口形貌分析
损坏齿轮有四处断口。为了便于说明，对四处断口分别做了编号。1号齿整个齿断裂，2号齿断面约占20%3号与4号齿断面分别占60%和 70%,其中1号齿呈现出较为明显的疲劳断裂特征，为早期疲劳断裂，裂纹产生于齿根处，向中心扩展，断口往下凹陷，在齿宽中部较为光滑，为疲劳扩展区域。其上分布有典型的贝纹线，在弧线发展的反方向即可找到
疲劳源区，在疲劳源处有多条放射状台阶条纹，属于多源疲劳，说明裂源处有应力集中现象。从各齿牙断口特征可以看出，1号齿疲劳扩展区所占比例较大，断面光滑，贝纹线间隔较窄，瞬断区所占比例较小，而其他3齿断口均十分粗糙，呈放射性，未见明显疲劳扩展特征。由此可以推断，首先是1号齿发生了疲劳断裂，造成了齿轮副的不正常啮合，传动失去平稳状态，震动加剧，产生很大的附加载荷，随后2、 3、4号齿相继断裂。检验中还发现，多个未折断齿的根部也产生了长短不一的裂纹，裂纹均沿齿宽方向扩展，并且齿根附近存在明显的加工刀痕，表面粗 糙度约12. 5pm。用扫描电镜对断口进行分析，疲劳区有明显的疲劳辉纹特征,瞬断区断口形貌为解理+小部分韧窝。
从上述测定的结果看，齿轮材料的化学成分、渗碳层深度和硬度均符合要求。齿轮具有疲劳断裂的基本特征，属于疲劳断裂。造成齿轮早期失效有以下几方面内在原因：
齿根附近的加工刀痕，容易产生应力集中，而且缺陷或沟槽、台阶等形状越尖锐，材料强度越高，脆性越大，则应力集中系数越大。因此，渗碳层对刀痕这类缺口较敏感，故疲劳裂纹易在渗碳层表面凹陷的刀痕处萌生。
齿根附近严重的非金属夹杂破坏了金属基体的连续性，降低了材料的强度和韧性。当金属材料内部存在较多的非金属夹杂物时，尤其是氧化物、硅酸盐与氮结果分析
从上述测定的结果看，齿轮材料的化学成分、渗碳 层深度和硬度均符合要求。齿轮具有疲劳断裂的基本特征，属于疲劳断裂。造成齿轮早期失效有以下几方面内在原因：
齿根附近的加工刀痕，容易产生应力集中，而且缺陷或沟槽、台阶等形状越尖锐，材料强度越高，脆性越大，则应力集中系数越大。因此，渗碳层对刀痕这类缺口较敏感，故疲劳裂纹易在渗碳层表面凹陷的刀痕处萌生。
齿根附近严重的非金属夹杂破坏了金属基体的连续性，降低了材料的强度和韧性。当金属材料内部存在较多的非金属夹杂物时，尤其是氧化物、硅酸盐与氮化物等，尽管渗碳淬火齿轮的屈服强度很高，不易发生塑性变形，但在交变弯曲应力作用下，在夹杂物与 基体的相界处，势必会产生位错的塞积，从而出现不均匀的应力分布，并在夹杂物尖端形成应力集中。齿轮疲劳断裂通常是从最薄弱的齿根部位开始，因为此处承受的交变弯曲应力最大。由于氧化夹杂物相硬而脆，影响金属的强度，并且其弹性模量与基体不同， 裂纹扩展较之其他部位所需能量小，因此加速了疲劳裂纹的扩展。
渗碳层表面存在过量的残余奥氏体时，由于材料的塑变抗力显著降低，以及粗大奥氏体晶粒本身对接触性能的不利影响，淬火后伴随着粗大的马氏体而容易产生微裂纹，这些因素的影响使齿轮疲劳寿命不断降低。
钢中存在偏析带造成了显微组织和化学成分的不均勻。在热处理过程中,组织应力和热应力在这些成分不均匀的偏析微区将会产生应力集中，相变过程产生差异，它们的各项性能也不同，在外力作用下，性能低的带易暴露出来，强弱带之间会产生应力集中，并且明显的各向异性导致材料的横向断裂强度远远低于纵向断裂强度，使得齿轮的总体力学性能大大减低。
以上各种诱发因素的叠加使齿根的疲劳强度不断降低，所承受的应力很快达到临界破断应力值，裂纹首先在这里萌生并扩展断裂。
齿轮在交变弯曲应力作用下产生疲劳断裂，齿根表面留下的加工刀痕，以及材料内部的非金属夹杂、大量的残留奥氏体和严重的偏析，增大了应力集中程度，降低了材料的强度，是造成齿轮早期疲劳失效的主要原因。
建议机加工时注意齿面与齿槽之间的过渡，提高加工精度，避免留下刀痕；严格控制锻造工艺，增大毛坯的锻造比，改善夹杂物的分布状态，在晶粒度不超出合格范围的前提下，适当提高正火温度，延长保温时间，以消除带状组织；渗碳淬火温度不宜过高，在淬火后应及时回火，避免奥氏体热稳定化，在低温回火后应快冷，如有必要可在淬火后进行深冷处理。
