某設備上的人字齒輪軸使用僅三個月就發生了斷裂。 在斷裂部位，齒輪軸尚有少許部分未斷開，齒輪軸的結構及其斷裂部位見圖１
齒輪軸設計圖紙技術條件要求為：齒輪軸材料為４ ２ Ｃ ｒ Ｍｏ鋼（依據 ＧＢ ／ Ｔ３ ０ ７ ７－１ ９ ９ ９ ），Rｍ ≥１１ ０ ０ＭＰ ａ ，犚 ｅ Ｌ≥９ ３ ０ＭＰ ａ，硬度為２ ５ ０～２ ７ ０ＨＢ，齒面淬火后硬度為４ ５～４ ７ＨＲＣ。 齒輪軸制造工藝流程為：鋼錠→鍛造→等溫退火（８ ４ ０～８ ６ ０ ℃，１ ０ｈ，
爐冷）→粗加工→調質處理（淬火：８ ６ ０ ℃±１ ０ ℃，８ｈ，油冷；回火：５ ６ ０℃±１ ０℃，１ ８ｈ，油冷）→精加工→齒面淬火。
為查找該齒輪軸的斷裂原因，筆者對其進行了理化檢驗和分析。
理化檢驗
１ 化學成分分析
從齒輪軸斷裂面附近部位取樣進行化學成分分析，結果見表１，可見齒輪軸材料符合 ＧＢ ／ Ｔ３ ０ ７ ７—１ ９ ９ ９對４ ２ Ｃ ｒ Ｍｏ鋼的技術要求。
２ 斷口分析
將齒輪軸沿斷裂部位分成兩部分，齒輪軸斷裂面的宏觀形貌見圖２。 在斷裂面上可觀察到齒輪軸外邊緣有周長約９ ３ ０ｍｍ，深度約３ ５ｍｍ 呈鋸齒狀的斷口區域；斷裂面中間區域較平整，斷裂面一側邊緣有凸起的層狀斷面；在鋸齒狀斷口區域可觀察到每個鋸齒狀斷面上均有貝殼狀的疲勞條紋，見圖３。根據疲勞條紋和斷裂擴展方向，可判斷斷裂源區位于鋸齒狀斷口區域且距齒輪軸外表面３ ５ｍｍ 處，齒輪軸斷裂為多源疲勞斷裂。
利用掃描電子顯微鏡對斷口進行觀察，斷裂源區的斷口形貌見圖４，可觀察到有較長的細裂紋和孔洞存在，部分細裂紋與孔洞相連，裂紋與孔洞分布在晶界上，孔洞內有夾雜物，斷裂源區上的疲勞條紋間距較寬；將斷裂源區放大觀察，可觀察到有較多的微裂紋分布在晶界上，部分微裂紋相互連接，見圖５。 齒輪軸斷裂面中間區域（斷裂擴展區）的斷口呈解理斷口形貌，見圖６。
３ 金相檢驗
從齒輪軸斷裂面附近部位取樣，經磨制后在光學顯微鏡下觀察，可見齒輪軸外表面及附近區域基體組織為索氏體組織，但基體組織索氏體方向性未消除，保持了原馬氏體針葉位向，見圖７；在距齒輪軸外表面３ ５ｍｍ的區域（相當于斷裂源區部位），基體組織為索氏體＋珠光體＋塊狀鐵素體，鐵素體在晶界上呈網狀分布，見圖８，齒輪軸淬透層較淺；齒輪軸中心區域的基體組織為珠光體＋鐵素體，見圖９。
４ 力學性能測試
根據ＧＢ ／ Ｔ２ ９ ７ ５－１ ９ ９ ８在距齒輪軸表面d ／ ４（d為齒輪軸直徑）圓周上，沿軸向切取拉伸試樣和沖擊試樣，進行力學性能試驗，結果見表２。 可見該齒輪軸的抗拉強度、屈服強度和沖擊功低于 ＧＢ ／ Ｔ３ ０ ７ ７－１ ９ ９ ９對４ ２ Ｃ ｒ Ｍｏ鋼的技術要求，同時其抗拉強度和屈服強度也低于設計圖紙的技術要求。
從齒輪軸斷裂面附近部位取樣進行硬度測試，得到齒輪軸外表面附近區域的硬度為２ ６ ９ＨＢＷ，斷裂源區部位的硬度為２ ６ ０ＨＢＷ，齒輪軸中心區域的硬度為２ ５ ６ＨＢＷ，可見齒輪軸硬度符合設計圖紙的技術要求。
分析與討論
根據齒輪軸斷裂源區的每個鋸齒狀斷面上均可觀察到有貝殼狀的疲勞條紋，表明齒輪軸斷裂為多源疲勞斷裂。
在距齒輪軸外表面３ ５ｍｍ區域（相當于斷裂源區部位）的基體組織為索氏體＋珠光體＋塊狀鐵素體，鐵素體在晶界上呈網狀分布。 由于網狀鐵素體、珠光體和索氏體之間存在不同的強度和塑性，齒輪軸在承受相同的外應力時，各種組織將產生不同的塑性變形，在部分晶界間可能產生較大的應力和變形，這種殘余應力一旦超過零件的抗裂強度即會引起晶界破裂，隨后不斷擴展形成微裂紋，成為疲勞斷裂的根源。 在該齒輪軸斷裂源區處可觀察到有較多的微裂紋分布在晶界上，且有部分微裂紋相互連接，如圖５所示，這正是對上述推斷的驗證。 微裂紋在應力作用下擴展，形成較長的細裂紋，部分細裂紋相互貫通，基體材料在斷裂中脫落，進而形成孔洞，這在圖４所示的在斷裂源區有分布在晶界上的細裂紋與孔洞可以得到驗證。
根據齒輪軸的制造工藝流程可知，該齒輪軸經過調質處理，齒輪軸外表面附近淬透層區域的基體組織應為索氏體組織，但基體組織索氏體方向性未消除，保持了原馬氏體針葉位向，導致齒輪軸材料韌性降低，脆性增大。 齒輪軸在應力作用下形成了微裂紋，微裂紋先向外表面區域擴展形成裂縫，減小了齒輪軸橫截面面積，隨后裂縫不斷擴展，最終導致齒輪軸斷裂。
在距齒輪軸外表面３ ５ｍｍ 區域的基體組織為索氏體＋珠光體＋塊狀鐵素體，表明齒輪軸的淬透層較淺，在調質工藝的淬火工序中，加熱保溫時間不夠，基體組織未充分奧氏體化；齒輪軸外表面附近淬透層區域基體組織的索氏體方向性未消除，表明在調質工藝的回火工序中，回火保溫時間不夠說明齒輪軸的熱處理工藝或方法存在欠缺。
４ ２ Ｃ ｒ Ｍｏ鋼一般用于制造軸類的機械零部件，軸類的機械零部件受力情況較為復雜，要求其具有良好的綜合力學性能，除選用正確的材料外，還主要依靠加工過程中熱處理得到良好的基體組織來保證。 齒輪軸材料的抗拉強度、屈服強度和沖擊功低于圖紙設計要求也驗證了齒輪軸的熱處理工藝或方法存在欠缺。
結論及建議
該齒輪軸由于熱處理工藝或方法不正確，其基體組織不符合要求，降低了材料的力學性能，導致齒輪軸在使用過程中發生疲勞斷裂。 建議在齒輪軸零部件的制造過程中，根據實際情況延長調質工藝中淬火和回火工序的加熱保溫時間。
