文档介绍：中轧机齿轮轴断裂失效分析
中轧机齿轮轴断裂失效分析
牛俊民林侠
关键词机械制造失效分析齿轮轴热应力型内裂
摘要全连轧棒材生产线中轧 6# 轧机减速机过桥齿轮,投产不久在大直径处
产生横向断裂。经分析主要原因是,齿轮轴在热加工过程中因热应力的作用生成
了横向内裂,由于表面承受压应力的缘故,内裂未延伸至表面,因而出厂前难于
发现,导致使用中突然断裂。预防横向内裂的主要措施是减小热应力,辅助措施
为增加无损检测工序,以保证内裂纹被早期发现。
一. 概况
我公司为南钢棒材厂生产的全连轧棒材生产线,中轧 6# 轧机减速机过桥齿轮,在试生
产阶段发生断轴事故,现场发现断裂发生在大直径处,属横向断裂,裂痕由内向外呈放射状,
心部较边缘颜色深(见照片 1)。
齿轮轴材质为 20CrMnMo,重量 454Kg,工艺路线为:锻-金-热-金-热-金-装。齿轮轴整
体为调质处理,齿表面渗碳淬火+低温回火。
齿轮轴简图及断裂位置见图 1(绘图比例 1:10);取样位置见图 2。
在调质处理后的超声波探伤中发现有>Φ3 当量的条状缺陷并存在≥Φ6 当量缺陷,底
波衰减明显。

二. 电镜能谱分析
断面裂源区位于齿轮轴中心部位,该区域呈暗兰色,无金属光泽,裂纹从心部向周围发
散状扩展,(见照片 1)。在裂源区取 1# 试样,断面平整无塑性变形,呈宏观脆断特征,微观
特征为解理形貌,在解理面上有蚀坑,个别晶粒出现解理面烧熔特征,晶粒大小约 100µm,
局部晶面有烧蚀坑及变形线(鸡爪痕),见照片 2、照片 3、照片 4。
在靠近齿根部取 5# 试样,该样品代表裂纹最后断裂区断口形貌,断面平整呈暗灰色,,
其微观形貌特征为解理断裂, 5# 试样解理面大小较 1# 试样小,晶面无烧蚀形貌,见照片
5、照片 6。
该轴为解理脆性断裂,在热加工时先形成了热应力型内裂,后续加热时造成解理面烧蚀。
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照片 1 齿轮轴宏观断口照片 2 1# 试样解理面上有蚀坑

照片 3 1# 试样晶面烧蚀形貌照片 4 1# 试样烧蚀坑及变形线

照片 5 5# 试样解理断口照片 6 5# 试样解理面上无烧蚀坑
三. 对断轴事故的分析
1. 对热应力型内裂成因的分析
大型工件内裂的产生,从材料学的观点来看,是由于材料所承受的应力超过了材料本身
的破断抗力。因此,我们的分析也必须从热处理淬火和加热时的应力及材料的强度和塑性两
方面考虑。
大型工件热处理淬火过程中的应力,主要由三种应力组成,即热应力、组织应力以及由
于截面上转变组织的比容不同引起的应力。下面我们分别加以讨论。
热应力是热处理过程中,工件表面和中心或薄厚之间,由于加热或冷却速度不一,导致
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体积膨胀不均匀而产生的内应力。
一个一定尺寸的圆形工件,从高温快速冷却,表面冷却快,心部冷却慢,内外之间存在
较大的温差。由于表面先冷却要收缩,仍然处于较高温度的心部将阻止它的收缩,所以心部
使表面受拉,相反表面使心部受压,这种应力随着工件内外温差的加大而增加。但是,钢在
高温塑性阶段屈服强