锥齿轮是工业中非常重要的机械零件，主要特点是可以承受较大的负荷，工作平稳，噪声和振动小，广泛用于汽车主减速器上，在传递功率和运动过程中起着至关重要的作用。引起齿轮失效主要与工作条件有关，主要包括应力状况、载荷、温度及环境等。齿轮失效的主要因素包括设计、材料、加工、安装、环境和使用等方面。

齿轮断口分析是判断齿轮断裂形式和断裂机理的重要技术手段，断口形貌可真实地记录裂纹的起因、扩展和断裂的过程，因此它不仅是研究断裂过程微观机制的基础，同时也是分析断裂原因的可靠依据。由于齿轮表面残余应力对齿轮疲劳寿命有重要影响，因此残余应力检测分析已成为新兴的失效分析检测手段。

1.断裂失效齿轮背景调查

失效齿轮为某普通牵引车型中桥的齿轮副从动轮两齿断裂，主动轮完好，其相关件桥壳完好，与齿轮副 无干涉，主动轮、从动轮螺纹及装配螺母完好，无松动潜在相关影响。齿轮使用的材料为22CrMoH钢，该材料具有较高经济性和适合的力学性能，多用于中型汽车后桥主动齿轮、从动齿轮。重载渗碳齿轮热处理一般技术要求为：1/2齿高处有效硬化层深度1.7～2.1mm，表面硬度58～63HRC，心部硬度33～45HRC，马氏体级别1～4级，残留奥氏体1～4级，碳化物1～2级，心部组织1～4级，表层非马氏体厚度≤0.02mm，晶粒度高于6级。

失效齿轮结构如下图所示。

2.断口宏观形貌分析

当金属零件所受的应力大于材料的临界强度时，零件通常会产生断裂，并在断裂处形成断口。断口分析是各种失效分析手段中最主要的分析方式，断裂的位置通常处于零件结构或材料组织最 脆弱的地方。

断口的出现除了与材料的成分、组织及零件的结构相关，还与零件断裂时所受力情况及 外界使用环境相关。由于断面内包括了试样断裂失效整个过程的大量信息，所以通过对断口的形态观察，分析其所记录的相关数据，就能研究断裂的性质、原因、形式，以及所受应力状态等诸多信息。断口就是打开的裂纹，包含了从裂纹的产生到最后发生断裂的整个过程，而其他裂纹可能是伴随着断口产生的，通常并不包括断裂刚开始时的信息。进行宏观断口分析的目的是确定裂纹源区、扩展区和最终断裂区，查明断裂生产的机理，是完成失效分析的基础。

通过宏观断口观察（见图），主动轮完好，从动轮有1#、2#两个齿出现断齿，其中1#齿可见明显光亮辉纹，为典型接触疲劳断裂形式。相邻断齿无明显疲劳断裂特征，呈深灰色冲击韧性断口。同一构件系统中出现两种性质不同断裂特征，在这种情况下应先确定首个断裂部位。基本原则为既有疲劳断裂又有冲击韧性断裂，一般疲劳断裂发生在前，由此分析得出1#齿先断裂，2#齿是被1#齿碎片打断的。进一步对1#齿进行宏观观察，发现1#齿断口处既有疲劳断裂特征也有韧性断裂特征。当两者同时存在时，裂纹源区存在于疲劳裂纹一侧。宏观粗视分析结论为1#齿凹面近齿根处齿面次表层最先出现显微裂纹，随着疲劳应力的增加，在表面渗碳层先出现压碎（压溃），裂纹进一步向心部扩展，到交界剪切唇处失稳断裂，而断裂的碎片将2#齿打断。下面将对1#齿的裂纹源区、剪切唇和心部韧性断裂进行微观形貌分析。

断口裂纹源位于齿轮凹面中下部，裂纹扩展过程还产生其他的次生微裂纹，在变载荷应力作用下，齿轮凹面中部接触区咬合面近齿根的表层处首先产生显微裂纹，出现齿面压溃剥落。接着裂纹呈人字花样往心部扩展，最终在剪切唇处断裂，心部瞬断区可见明显韧窝准解理形貌特征。裂纹两侧，未见明显夹杂物及第二相缺陷。断裂性质确定为接触疲劳裂纹。

1）断口裂纹源位于齿轮凹面中下部，裂纹扩展过程还产生其他次生微裂纹。

2）裂纹源微观形貌为接触疲劳特征，心部微观形貌为韧窝加解理特征。

3.残余应力检测分析

齿轮强化喷丸是提高齿面接触疲劳强度的有效途径之一。由于喷丸强化提高了表面压应力而显著改善其疲劳性能，因此对于承受高周波疲劳载荷的工件更为有效。喷丸强化形成的残余压应力可抵消部分外加载荷。喷丸时小尺寸球形钢丸击打工件表面而形成压应力，每一弹丸的冲击都会使金属产生一定的塑性变形，最终因表面不能完全回复而形成了永久的压应力状态。作为一种表面强化工艺，喷丸能在表面形成残余压应力，相当于材料抗拉强度极限的55%～60%，而工件表面恰是容易萌生裂纹的地方。对于试用真空炉进行真空渗碳淬火的齿轮，所形成的压应力可达1177～1725MPa，可大大改善疲劳性能。压应力层深度是喷丸强度（或喷丸能量）的函数，随着弹丸尺寸或弹丸速度的增加而增加。从残余应力测试对比验证数据看，经过表面强化工艺，齿根部表面残余压应力由824MPa提高到1252MPa，接触疲劳性能得到大幅提升。

4.结论

通过齿轮断口分析、理化分析、金相组织及残余应力分析，得出重载渗碳齿轮失效的原因如下：

1）裂纹源位于齿轮凹面中下部表面，失效断裂形式为接触疲劳断裂。

2）齿面及齿根上存在的内氧化，弱化了晶界，降低了齿轮接触疲劳强度。

3）从动齿轮材料纯净度和均匀性略有超标，真空热处理压淬后齿轮变形不一致，与主动齿轮工作啮合时 由于受力偏载而产生应力集中，加速了齿轮断裂。

5.建议和措施

1）齿轮在使用真空炉进行真空渗碳真空淬火及真空回火后，因为存在内氧化软层，所以在喷丸强化处理时易产生应力集中，成为疲劳裂纹源的起点。建议在保证材料淬透性的前提下选用低Si材料，尽量控制Cr、Mn、Ti、V等合金元素含量，渗碳原料气（甲醇或天然气）采用净化处理，减少氧化性组分，如水、硫等杂质的含量，减轻热处理后产品的内氧化程度。

2）强化喷丸可提高齿轮的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度，是改善齿轮抗咬合能力、提高齿轮使用寿命的重要途径。

3)从材料源头控制夹杂物的纯净度和偏析，配合实施压淬工艺减小热处理变形，提高接触区一致性，改善工况。