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变速器齿轮断裂失效分析
杨春朱衍勇
（钢铁研兜总院
北京市学院南路７６号）
１前言：
某公司研制的汽车变速器齿鞋在台架实验考棱过程中经常发生早期断裂失效事件，为了
找出齿轮发生断裂的原因，以便采取措施改进生产工艺，提高变速器齿轮的质量，公司将断
裂件送中心进行断裂失教分析。齿轮材料是一种中碳含Ｃｒ、Ｍｏ的调质钢，表面通过溶碳进
行硬化处理，洛碳后硬化处理后．作糟磨加工。本工作通过对失效齿轮的断口、剖面金相组
织、硬度等检测，分析导承齿轮早期断裂的主要原因，并提出相应的解决措施。
２分析过程和结果：
２１．断口分析
变速器齿轮轴和齿轮的形状如图ｌ，断裂件为箭头所指的斜齿轮．该齿轮与齿轮轴为热
装紧密配合。齿轮断裂面如图２所示，为径向断裂面，从侧面观察．断面非常平齐，完全处
在齿轮径向面上，只在靠近齿部附近断面才有较大起优，断面是与轮齿相交的。将裂纹启开
看到的断口宏观形貌如图３，断面有精楚的辐射状花样．由此看出断裂起裂于齿轮薄照段内
表面（图３标注位置），沿图中白色箭头所指方向扩展，起裂区和扩展区断口较平坦，没有
塑性变形，最后断裂的轮齿部位呈银灰色，有少量变形，总体上属于宏观脆性断裂断口。
一。
’
二
圈Ｉ变速＃齿转轴和齿轮形状
田２童速嚣＊轮断Ⅲ位置图３断口宏观形貌
观察齿轮内表面，看到有两处严重的滑动摩擦损伤瘫迹，其中损伤较为严重的一处恰位
于断裂起始位置，如圉４中箭头所示。损伤区形状为宽度大约４ｍｍ左右的环形带．显然是
运行中与齿轮轴发生相对柑动所致。扫描电镜下观察可咀看到损伤表面有许多微裂纹，紧接
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断口槔区可蛆观察剑平行十断口的微裂纹，看来齿轮与轴的相对滑动造成齿轮内表面损伤，
可能是导致齿轮断裂的重要原因。但是局部损伤到底是断裂的因还是果，ｊ丕需要对组织进行
进一步研究。
图４变速器齿轮形状和宏观断口分析
起裂源区的断口形貌如图５．看出断裂起裂于齿轮内表面机械损伤堆为严重的区域．源
区断口具有穿晶和沿晶混台的疲劳断口的特征，以穿晶疲劳断口为主。而扩展区边部渗碳层
断口均为脆性沿晶断口，断口典型形貌照片见图６。断面薄壁段中部微观形貌均为穿晶和沿
晶棍台断口。轮齿部主要为韧高状断口，断口形貌如图７。断口分析显示，裂纹源形成之前
局部组织可能由于摩擦热影响发生了回二Ｊ‘软化，故源区附近疲劳断口呈现穿晶为主的特征，
离开源区的疲劳扩展区边部断口为严重的沿晶脆性断口则与边部组织保持较高的硬度有关。
囤５断裂源区断口形貌（右图为左图的局部放大）
图６扩展区边部涪碳层沿晶断口图７轮齿部终断区韧窝断口
２．２剖面金相分析
在断面附近垂直表面损伤痕作剖面金相，断裂酥区的组织形貌如图８。齿轮内表面涪碳
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区正常组织为针状马氏体＋残余奥氏体组织，心部为马氏体＋贝氏体组织。断裂源所在位置
的表层可以观察到由于摩擦损伤导致的自亮带组织和徽裂纹，白亮区附近组织有回火现象。
用显微维氏硬度计捌试齿轮各区域的硬度，结果如袭１所示，齿轮轮毂内表层组织显微
硬度基本在７３０ＨＶ以上：轮毂内缘两处摩擦损伤形成的白亮区硬度８３０ＨＶ以上白亮区附
近组织的硬度则明显低于正常区，有回火现象；齿轮内部非溘碳区组织的硬度在４３０－－５１０ＨＶ
之同。
港碳表层组织的硬度很高，是其表层区在疲劳载荷下出现完全的沿晶断口的主要原因。
也因为表面硬度很高，也使得表层组织对表面损伤更加敏感。另外，过盈配台接触面硬度很
高也不利于相互咬台．容易发生滑动。
圈８断裂谭附近的摩擦损伤组织形貌（左光学金相；右ｓＥＭ金相
表１显徽碗度检验结晕０ｔＶ０
２）
牦毂内缘Ⅲ常Ⅸ
轮毂内缘自亮区
轮毂内缘白亮区附《■日
轮般中部
３．讨论和结论：
分析结果显示．齿轮断裂起始于齿轮薄壁段内表面滑动摩擦损伤位置，是在表面损伤缺
陷的基础上发生裂纹疲劳打展最后导致齿轮断裂的。
５
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由于裂纹起始区域的断口为穿品和沿品混合断口，有别于扩展区域的沿晶断口，说明裂
纹起裂于表面发生滑动摩擦损伤和损伤局部组织发生回火软化之后，因此可以断定齿轮与齿
轮轴接触面发生滑动摩擦损伤是在裂纹产生之前发生的，即滑动摩擦产生的损伤缺陷经疲劳
过程形成疲劳裂纹源。齿轮与齿轮轴之间的尺寸配合不佳，是使用中出现相对滑动的原因。
因为看到有两处滑动摩擦损伤区，因此可能配合不佳主要是配合面只形成局部接触，没有形
成大的接触面，使得局部接触应力过大而损伤表面，直至产生滑动。
齿轮材料表面硬度较高而韧性塑性较差，因而接触面咬合性不好，不能通过变形分散装
配应力和工作应力，容易发生滑动和损伤，以致最后发生疲劳断裂。因此适当对接触面进行
回火软化有利于避免该类损伤和失效的发生。
因此，接触面发生滑动摩擦损伤是导致齿轮断裂的基本原因；提高匹配面加工精度和适
当降低装配接触面硬度有利于避免齿轮接触面损伤和齿轮失效的发生。
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