离合器外圈失效分析
发布时间：2021-11-18 15:50 浏览次数：279
金属材料是航空航天、轨道交通、汽车、船舶、桥梁、能源、化工、冶金等重工业、轻工业领域重大工程、大型设备设施的主要用材。因金属材料失效引发的重大事故频繁发生，为企业和社会带来较大的损失。
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案例分析
背景概况
某型号离合器外圈，在进行数次寿命磨合后出现断齿现象，此次出现断齿的产品均为同批次产品。该产品为量产、成熟产品，产品原材料牌号为20CrMnTi，表面采用整体渗碳淬火+低温回火热处理工艺，产品设计寿命为10000次。
分析
对整个失效零件进行宏观检查（图1~图2），发现失效零件在外圈齿根位置出现断齿现象，断齿周围未见明显宏观塑性变形。断面平齐，断面粗糙呈颗粒状，断面无明显纤维状和放射状特征，无明显裂纹源指向，断口宏观呈现脆性断裂模式。
对断口进行SEM&EDS微观分析（图3～图5），发现断口边缘局部可见放射棱线汇聚和磨损痕迹，推测开裂源起源于断口边缘。断口边缘和断口芯部的微观形貌均以沿晶特征为主。断口局部晶界位置P元素含量相对较高，推测可能为回火过程中，杂质元素在晶界偏聚引起的沿晶脆性断裂。
为验证该零件是否由回火脆性导致的开裂，对离合器外圈轮齿正常部位取人为冲击断口，并对其进行SEM&EDS微观分析。检测结果表明：人为冲击断口和失效断口微观形貌相似，即断口微观形貌主要以沿晶特征为主，且局部P元素含量较高。结合零件采用整体渗碳淬火+低温回火热处理工艺，推测零件断裂模式为低温回火脆性引起的沿晶脆性断裂。
对失效样品进行材质分析：1）失效样品化学元素含量符合标准GB/T 3077-2015中对牌号20CrMnTi的要求；2）失效样品近表面金相组织主要为细针状高碳回火马氏体组织，样品芯部金相组织主要为低碳板条回火马氏体，金相组织未见明显过热、过烧等组织缺陷异常（图6～图7）；3）齿根位置有效硬化层深度（从零件表面到维氏硬度值为550HV1处的垂直距离）约为0.97mm（图8），满足客户对表面有效硬化层深度要求：0.8mm～1.2mm；4）失效样品齿根位置检测到内氧化现象，内氧化深度平均值约为9.8μm，满足客户要求；5）失效样品表面平均洛氏硬度值为61.6HRC，符合客户对零件表面硬度要求：58～62HRC。
结论
失效零件化学成分、表面硬度、有效硬化层深度均符合客户要求，失效零件内氧化深度、金相组织未见明显异常；失效零件开裂模式为沿晶脆性开裂，开裂源区位于齿根表面，此位置未见明显冶金夹杂缺陷，但发现局部晶界位置P元素含量较高。
综合以上，推测失效零件热处理工艺不佳引发零件产生低温回火脆性，是导致零件发生沿晶脆性断裂的主要原因。
