Page 84 - 理化检验-物理分册2024年第十一期

杜书万，等：某高压断路器齿轮轴断齿原因

时产生的磨痕，且断裂齿根处未发现摩擦痕迹，说明 在多处裂纹源，裂纹从受力面齿根处向非受力面方
磨痕不是齿轮轴断齿的原因。 向扩展，呈多源脆性断裂特征。
断口宏观形貌如图2所示。由图2可知：断口呈 1.2 化学成分分析
结晶状，具有浅灰色金属光泽；断口上可看到裂纹扩 在齿轮轴基体上取样，采用直读光谱仪对试样
展棱线，根据棱线收敛方向可看出断口受力面上存 进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知：
试样的化学成分符合GB/T 3077—2015 《合金结构
钢》对20CrMnMo钢的要求。
1.3 硬度及渗碳层深度测试
依据GB/T 9450—2005 《钢件渗碳淬火硬化层
深度测定校准》对齿轮轴有效硬化层深度进行测试，
由于齿轮轴的齿牙上已完全渗碳，因此从其齿根圆
处测试，结果如图3所示。该齿轮轴的图纸要求渗
碳层深度为0.8~1.2 mm，实际有效硬化层深度约为

图 2 断口宏观形貌 1.16 mm，接近图纸要求的上限。
表1 齿轮轴化学成分分析结果 %

质量分数
项目
C Si Mn P S Cr Mo
实测值 0.17 0.26 1.07 0.014 0.005 1.22 0.22
标准值 0.17~0.23 0.17~0.37 0.90~1.20 ≤0.035 ≤0.035 1.10~1.40 0.20~0.30

图 3 有效硬化层深度测试结果

渗碳层硬度梯度曲线如图4所示。由图4可知：
从表面至心部渗碳层硬度先升高后降低，齿轮轴渗碳
层硬度要求为50~60 HRC,实测渗碳层表面硬度为 图 4 渗碳层硬度梯度曲线
56~58 HRC，次表面硬度为62~63 HRC，次表面渗碳
GB/T 25744—2010《钢件渗碳淬火回火金相检验》 ，
层硬度高于设计要求；基体硬度要求为30~40 HRC，
碳化物评定为6级， 马氏体及残余奥氏体评定为6级，
实测硬度为34~36 HRC，基体硬度符合设计要求。
[1]
1.4 金相检验 属于过热组织，且渗碳层上碳元素质量分数偏高 。
在齿轮轴断齿附近截取金相试样，采用光学显 1.5 扫描电镜 （SEM）及能谱分析
微镜对齿角、齿面、齿根和基体等部位进行观察，结 采用扫描电镜观察断口的微观形貌，结果如图6所
果如图5 所示。由图5 可知：齿角组织为大块状及 示。由图6可知：断口呈冰糖状沿晶开裂形貌，且晶粒粗
粗网状碳化物+粗针状马氏体+较多残余奥氏体； 大；裂纹从受力面沿晶界向非受力面扩展，裂纹源区及裂
齿面和齿根处组织为网状碳化物+粗针状马氏体 纹扩展区均存在沿晶二次裂纹，且裂纹源处存在块状物。
+较多残余奥氏体，且齿根处存在少量块状碳化物； 采用能谱仪对裂纹源处的块状物和晶面进行能
基体组织为粗大低碳马氏体+少量贝氏体；参照 谱分析，分析位置如图6（b）所示，分析结果如图7
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