某设备上的人字齿轮轴使用仅三个月就发生了断裂。 在断裂部位，齿轮轴尚有少许部分未断开，齿轮轴的结构及其断裂部位见图１
齿轮轴设计图纸技术条件要求为：齿轮轴材料为４ ２ Ｃ ｒ Ｍｏ钢（依据 ＧＢ ／ Ｔ３ ０ ７ ７－１ ９ ９ ９ ），Rｍ ≥１１ ０ ０ＭＰ ａ ，犚 ｅ Ｌ≥９ ３ ０ＭＰ ａ，硬度为２ ５ ０～２ ７ ０ＨＢ，齿面淬火后硬度为４ ５～４ ７ＨＲＣ。 齿轮轴制造工艺流程为：钢锭→锻造→等温退火（８ ４ ０～８ ６ ０ ℃，１ ０ｈ，
炉冷）→粗加工→调质处理（淬火：８ ６ ０ ℃±１ ０ ℃，８ｈ，油冷；回火：５ ６ ０℃±１ ０℃，１ ８ｈ，油冷）→精加工→齿面淬火。
为查找该齿轮轴的断裂原因，笔者对其进行了理化检验和分析。
理化检验
１ 化学成分分析
从齿轮轴断裂面附近部位取样进行化学成分分析，结果见表１，可见齿轮轴材料符合 ＧＢ ／ Ｔ３ ０ ７ ７—１ ９ ９ ９对４ ２ Ｃ ｒ Ｍｏ钢的技术要求。
２ 断口分析
将齿轮轴沿断裂部位分成两部分，齿轮轴断裂面的宏观形貌见图２。 在断裂面上可观察到齿轮轴外边缘有周长约９ ３ ０ｍｍ，深度约３ ５ｍｍ 呈锯齿状的断口区域；断裂面中间区域较平整，断裂面一侧边缘有凸起的层状断面；在锯齿状断口区域可观察到每个锯齿状断面上均有贝壳状的疲劳条纹，见图３。根据疲劳条纹和断裂扩展方向，可判断断裂源区位于锯齿状断口区域且距齿轮轴外表面３ ５ｍｍ 处，齿轮轴断裂为多源疲劳断裂。
利用扫描电子显微镜对断口进行观察，断裂源区的断口形貌见图４，可观察到有较长的细裂纹和孔洞存在，部分细裂纹与孔洞相连，裂纹与孔洞分布在晶界上，孔洞内有夹杂物，断裂源区上的疲劳条纹间距较宽；将断裂源区放大观察，可观察到有较多的微裂纹分布在晶界上，部分微裂纹相互连接，见图５。 齿轮轴断裂面中间区域（断裂扩展区）的断口呈解理断口形貌，见图６。
３ 金相检验
从齿轮轴断裂面附近部位取样，经磨制后在光学显微镜下观察，可见齿轮轴外表面及附近区域基体组织为索氏体组织，但基体组织索氏体方向性未消除，保持了原马氏体针叶位向，见图７；在距齿轮轴外表面３ ５ｍｍ的区域（相当于断裂源区部位），基体组织为索氏体＋珠光体＋块状铁素体，铁素体在晶界上呈网状分布，见图８，齿轮轴淬透层较浅；齿轮轴中心区域的基体组织为珠光体＋铁素体，见图９。
４ 力学性能测试
根据ＧＢ ／ Ｔ２ ９ ７ ５－１ ９ ９ ８在距齿轮轴表面d ／ ４（d为齿轮轴直径）圆周上，沿轴向切取拉伸试样和冲击试样，进行力学性能试验，结果见表２。 可见该齿轮轴的抗拉强度、屈服强度和冲击功低于 ＧＢ ／ Ｔ３ ０ ７ ７－１ ９ ９ ９对４ ２ Ｃ ｒ Ｍｏ钢的技术要求，同时其抗拉强度和屈服强度也低于设计图纸的技术要求。
从齿轮轴断裂面附近部位取样进行硬度测试，得到齿轮轴外表面附近区域的硬度为２ ６ ９ＨＢＷ，断裂源区部位的硬度为２ ６ ０ＨＢＷ，齿轮轴中心区域的硬度为２ ５ ６ＨＢＷ，可见齿轮轴硬度符合设计图纸的技术要求。
分析与讨论
根据齿轮轴断裂源区的每个锯齿状断面上均可观察到有贝壳状的疲劳条纹，表明齿轮轴断裂为多源疲劳断裂。
在距齿轮轴外表面３ ５ｍｍ区域（相当于断裂源区部位）的基体组织为索氏体＋珠光体＋块状铁素体，铁素体在晶界上呈网状分布。 由于网状铁素体、珠光体和索氏体之间存在不同的强度和塑性，齿轮轴在承受相同的外应力时，各种组织将产生不同的塑性变形，在部分晶界间可能产生较大的应力和变形，这种残余应力一旦超过零件的抗裂强度即会引起晶界破裂，随后不断扩展形成微裂纹，成为疲劳断裂的根源。 在该齿轮轴断裂源区处可观察到有较多的微裂纹分布在晶界上，且有部分微裂纹相互连接，如图５所示，这正是对上述推断的验证。 微裂纹在应力作用下扩展，形成较长的细裂纹，部分细裂纹相互贯通，基体材料在断裂中脱落，进而形成孔洞，这在图４所示的在断裂源区有分布在晶界上的细裂纹与孔洞可以得到验证。
根据齿轮轴的制造工艺流程可知，该齿轮轴经过调质处理，齿轮轴外表面附近淬透层区域的基体组织应为索氏体组织，但基体组织索氏体方向性未消除，保持了原马氏体针叶位向，导致齿轮轴材料韧性降低，脆性增大。 齿轮轴在应力作用下形成了微裂纹，微裂纹先向外表面区域扩展形成裂缝，减小了齿轮轴横截面面积，随后裂缝不断扩展，最终导致齿轮轴断裂。
在距齿轮轴外表面３ ５ｍｍ 区域的基体组织为索氏体＋珠光体＋块状铁素体，表明齿轮轴的淬透层较浅，在调质工艺的淬火工序中，加热保温时间不够，基体组织未充分奥氏体化；齿轮轴外表面附近淬透层区域基体组织的索氏体方向性未消除，表明在调质工艺的回火工序中，回火保温时间不够说明齿轮轴的热处理工艺或方法存在欠缺。
４ ２ Ｃ ｒ Ｍｏ钢一般用于制造轴类的机械零部件，轴类的机械零部件受力情况较为复杂，要求其具有良好的综合力学性能，除选用正确的材料外，还主要依靠加工过程中热处理得到良好的基体组织来保证。 齿轮轴材料的抗拉强度、屈服强度和冲击功低于图纸设计要求也验证了齿轮轴的热处理工艺或方法存在欠缺。
结论及建议
该齿轮轴由于热处理工艺或方法不正确，其基体组织不符合要求，降低了材料的力学性能，导致齿轮轴在使用过程中发生疲劳断裂。 建议在齿轮轴零部件的制造过程中，根据实际情况延长调质工艺中淬火和回火工序的加热保温时间。
