摘要：文章分析了某型号杆件在使用过程中的失效原因。该杆件的热处理工艺合格，塑性韧性硬度较好，性能符合技术要求，由于杆件在传动过程中受到阻碍，但动力输入机构没有及时停止动作，导致发生过载，进一步挠曲和塑性剪切破坏。
关键词：传动杆件；失效；性能；原因分析
重大传动杆件由于传动比大，可自锁且传动平稳等特点被广泛运用于运输、起重、矿山机械和各种机床的传动系统中。其传动失效形式与齿轮传动类似，有齿面磨损、齿面胶合、疲劳点蚀、轮齿折断等，一般情况下失效总是发生在杆件齿上。某公司生产的传动杆件在使用过程中传动杆件弯曲变形，传动杆件齿被剪断。该传动杆件的具体生产工艺为：圆钢棒材、粗车、调质、精车、渗氮，以往按此工艺生产的传动杆件没有出现问题，本批次连续出现3根传动杆件失效，通过失效分析找出具体的原因，以利于后续改进。
1宏观分析
通过观察，传动杆件的6个齿全部发生剪切断裂且出现了弯曲的现象。断齿的截面具有非常大的光亮带，这是剪切过程造成的，类似于冲压板材的截面。剪切从左边开始，左侧三个齿的光亮带相对较大，右侧光亮带相对较小，右侧齿的右边缘有明显的挤压台阶，最右边一个齿，发生部分剪切，齿的右侧还保持完整。另外，每个齿左侧面有由于剪切产生的裂纹。在第一个齿的侧面明显有较多裂纹，裂纹宽度较宽，而第六个齿侧面的裂纹较浅，裂纹宽度较窄，这说明力的作用是从左到右的。图1为板材冲裁的示意图，这和传动杆件的剪切失效形式一致，图中h0表示光亮带的宽度，对于t>4mm（传动杆件的齿宽大于4mm），h0/t的值在0.4~0.5表示这种材料是软钢。通过测量计算，从左到右其结果分别为：0.73，0.62，0.57，0.58，0.48，这说明传动杆件材料比较软。此外，在传动杆件输入端也发生了变形开裂，但观察不到宏观的脆性断裂，说明材料塑性较好。综合上述宏观分析，传动杆件具有较好的塑性。
2试验分析
根据传动杆件的失效形式和状态，采取金相检测分析、拉伸和冲击力学性能测试、表面渗氮层硬度测试及齿轮断口分析等手段分析其失效过程。
2.1取样金相检测分析
图2为从传动杆件垂直于轴向截取试样，在500的放大倍率下对传动杆件3个部位进行金相观察得到的金相图。从图2中传动杆件不同位置组织相图来看，传动杆件3处位置的组织基本相同，均为调质处理后的细小索氏体，有少量铁素体残余，可以得出结论，传动杆件热处理工艺是合理的。
2.2拉伸性能测试
采用CMT5000型电子万能试验机进行拉伸性能测试，拉伸速度3mm/min，试样直径6mm。通过对断口分析，发现其由中心纤维区及放射区组成，在断口上几乎看不到剪切唇，其放射区呈剪切脊的形式，这是裂纹起裂扩展时沿最大切应力方向发生剪切变形引起的。由于变形约束小，裂纹钝化，致使扩展速度较慢，棒状试样会在轴向出现辐射状裂纹，得到的断口像铣刀头一样。根据现有资料，这是由于高温回火导致的，这种情况只有缩颈在50%左右时才会出现，传动杆件的抗拉强度平均值为756MPa，屈服强度为455MPa，断后延伸率和断面收缩率为16.3%和62.7%，整体表现出很好的塑性。
2.3冲击性能测试
选用摆锤式冲击试验机JBD-300B进行冲击试验，实验温度为室温，冲击试样为标准试样，尺寸为55mm×10mm×10mm。该杆件的冲击断口中没有放射区，只有纤维区和剪切唇，属于塑性很好的材料。纤维区位于冲击断口的中央位置，表面呈粗糙的纤维状，是裂纹最开始形成的区域。该区域塑性变形相对较大，且断面粗糙不明，对光线的散射能力较强，使得该区域呈现暗灰色。材料断裂过程的最后阶段形成剪切唇，该区域表面相对光滑，并且与拉应力大致呈45°角，塑性变形量较大，是韧性断裂区。从冲击性能来看，传动杆件材料的韧性非常高，平均冲击功达到163.49J，冲击韧性为204.25J/cm2。结合断口特征，可以得出结论，传动杆件材料的韧性较高。
2.4硬度测试
（1）表面布氏硬度。选用HB-3000B-I型布氏硬度计，采用直径2.5mm压头，载荷为750kgf，载荷保持时间15s，从垂直于轴向切去厚度1cm的片状试样，测量径向从表面到心部硬度分布。结果显示，杆件表面的布氏硬度244HBW，心部219HBW，相差仅25HBW，相差不大，故取平均值为230HBW。（2）氮化层显微硬度。选用HVS-1000D型显微硬度计，载荷分别设定为50gf、100gf，载荷保持时间15s，测量径向从表面到心部硬度分布。结果表明，对材料进行表面渗氮处理后，表面硬化效果显著，最大硬度值位于零件的表面，数值为516HV，随着深度的增加，显微硬度值逐渐降低。传动杆件渗氮层深度大约为200μm，渗氮层的显微硬度值均大于310HV。
3结语
结合断口分析、金相组织分析及力学性能测试结果，从以下几个方面来分析传动杆件的失效原因：（1）从金相组织分析来看，传动杆件的显微组织为细小的索氏体，有少量的铁素体，为调质处理后的正常组织，说明其热处理工艺合理。（2）从力学性能来看，传动杆件的屈服强度和抗拉强度分别达到455MPa和756MPa，延伸率和断面收缩率为16.3%和62.7%，室温冲击韧性为204.25J/cm2，传动杆件基体的布氏硬度为230HB，氮化处理的深度大约为200μm，渗氮层显微硬度值均大于310HV。说明传动杆件的塑性韧性及硬度较好，性能符合技术要求。（3）从失效分析结果来看，传动杆件的破坏属于塑性剪切破坏，由于在传动过程中受到阻碍，但动力输入机构没有及时停止动作，导致传动杆件发生过载，进一步挠曲和剪切破坏。
参考文献
［1］史亮，范久臣，冯增铭，等.基于刚柔耦合的蜗轮蜗杆疲劳寿命分析［J］.机电工程技术，2016，（1）：96-99.
［2］邹洪英，周婧.蜗杆的失效分析［J］.科技创新导报，2008，（13）：56.
作者:张继光 单位:徐州徐工基础工程机械有限公司
