2024齿轮轮齿的磨损和损伤第1部分：术语和特性

1目次目次II前言 III引言 IV112范引文件 13语定义 14型失模式 15擦伤非劳） 3磨的般息 3磨磨损 4擦伤 5磨磨损 6胶合 9黏磨损 16微腐蚀 16干磨损 176劳伤 18疲裂纹 18接疲劳 18弯疲劳 357疲断裂 40概述 40齿折断 43齿折断 45轮剪断 458性形 46概述 46压痕 46布压痕 47冷动 47热动 47齿圆屈服 48塑变后断 49滚塑变 49轮锤塑变 50起皱 50起脊 51IIII飞边 52干变形 539造题 53锻裂纹 53硬裂纹 54磨裂纹 55氢和部余致失效 56磨烧伤磨致火) 56磨缺口非效式) 57鳞蚀 58表/分离 5810他面伤 59腐蚀 59气蚀 59冲蚀 62电蚀 62过热 67参考献 68引言引言IVIVGB/T3481由两部分构成：12以上两部分各自独立又相互补充。PAGEPAGE10齿轮轮齿的磨损和损伤1范围）齿轮许多问题的解决方案需要专家进行详细的调查和分析，它超出了本文件的范围。本文件仅界定了旨在帮助识别和记录运行一段时间后齿轮的形貌和状况的术语。所描述的各种状况下的起因和预防措施这里不作说明。除非另有明确标识，本文件中的齿轮通常包括主动轮和从动轮。本文件未定义“齿轮失效”。（ISO1122-1 1（VocabularyofgeartermsPart1:Definitionsrelatedtogeometry）注：GB/T3374.1—20101)齿轮术语和定义第1部分：几何学定义（ISO1122-1:1998,IDT）ISO1122-1界定的术语和定义适用于本文件。注：PAGEPAGE2为降低一种失效模式的风险而做的改动有时可能会恶化或产生其他失效模式或意想不到的后果。ISO/TR10825-2名称则列为非首选术语。表2列出了有助于区分失效模式的其他术语。表1齿轮失效模式的命名常见模式非首选术语小节摩擦学损伤（非疲劳类）磨光（非有意的）Burnishing5.2擦伤5.3磨料磨损切削，擦痕b,a5.4胶合擦痕a，焊合，微焊合，咬焊5.5黏着磨损轻度磨损，跑合磨损，撕裂，拔蚀，微焊接5.6微动腐蚀5.7干涉磨损5.8疲劳损伤微点蚀结霜，灰斑，剥落6.2.2宏观点蚀接触疲劳，破坏性损伤，楔形损伤6.2.3表层压碎（次表层疲劳）内部断裂6.2.4白层剥落6.2.5齿面断裂（TFF）6.2.6深层齿面断裂（TIFF）6.2.7齿根疲劳断裂6.3.1轮缘、轮辐和轮毂裂纹6.3.2非疲劳断裂齿根折断快速断裂7.2齿端折断7.3轮齿剪断7.4塑性变形压痕压溃，锤压8.2布氏压痕8.3冷流动8.4热流动8.5齿根圆角屈服8.6塑性变形后折断8.7滚压塑变8.8轮齿锤击塑变8.9起皱起鳞，扇形畸变8.10起脊8.11飞边8.12PAGEPAGE3常见模式非首选术语小节干涉变形8.13制造问题锻造裂纹9.1硬化裂纹淬火裂纹9.2磨削裂纹9.3氢脆和内部残余应力致失效9.4磨削烧伤（磨削致回火）9.5磨削缺口（非失效模式）9.6鳞蚀9.7表/心分离9.8其他表面损伤腐蚀10.1气蚀10.2冲蚀10.3电蚀起弧10.4过热10.5a强烈不推荐使用“刻痕”作为术语，因为其可能代表不同磨损类型，如黏着磨损或磨料磨损表2附加术语额外项小节中描述项小节点-面-源点蚀宏观点蚀6.2.3剥落宏观点蚀6.2.3齿根圆角裂纹齿根疲劳断裂6.3.1非疲劳性过载齿根折断7.2假布氏压痕微动腐蚀5.7大量塑性变形塑性变形后折断7.1,8.7次表面起始弯曲疲劳齿面断裂6.2.6）磨损描述了没有任何疲劳裂纹迹象时由于材料的去除导致的轮齿表面的变化。它可能伴随着材料的一些位移。齿廓的定义见ISO1122-1。磨损包括磨光、擦伤和磨料磨损。可分为轻度、中度或重度磨损。图1和图2展示了中度和重度磨损的样例，而非用于指示磨损模式。PAGEPAGE4图1图2概述注：有意磨光可能发生在制造过程中或跑合过程中。PAGEPAGE5承载齿面上可以看到原始加工痕迹的残余的磨光磨损。和4图3在两个齿廓上的重度磨光图4错位齿轮上的重度磨光擦伤PAGEPAGE6在制造或装配过程中也可能出现擦伤，并且这种擦伤可以发生在任何方向上。图5滑动方向的擦伤概述）6PAGEPAGE7注：削痕迹。图6磨料磨损引起的划痕，扫描电子显微镜（SEM）图像7和根据严重程度，磨料磨损可分为轻度、中度或重度。图7三体磨料磨损PAGEPAGE8图8三体磨料磨损图9磨削齿轮齿顶附近的轻度磨料磨损如果在齿面上仅能看到少量原始加工痕迹的残余，则磨料磨损被归类为中度磨损。PAGEPAGE9和11图10重度磨料磨损，全齿廓及放大视图图11重度磨料磨损胶合概述齿面胶合是由于啮合齿面焊合和撕扯，导致齿面金属材料发生迁移和损失的严重黏着磨损。胶合是突然发生的，并不是一种疲劳现象。根据损伤的严重程度，齿轮胶合失效可以分为轻度胶合、中度胶合和重度胶合。热胶合PAGEPAGE1012～图21。冷胶合（422冷胶合主要发生在表面硬度较低的齿轮上，例如根据STRIBECK曲线[2]，运行在边界润滑区或混合区条件下的直齿轮或没有硬化加工的齿轮。12图12齿轮轻度热胶合17PAGEPAGE11图13中度热胶合图14中度热胶合PAGEPAGE12图15中度热胶合PAGEPAGE13注：SEM图像显示了粗糙、撕裂和塑性变形的外观。图16中度热胶合注：图中显示焊合材料从齿面撕扯形成凹坑的SEM照片。图17中度热胶合（18～图22。PAGEPAGE14图18重度热胶合图19重度热胶合PAGEPAGE15图20重度热胶合（图19齿轮黄色标记位置放大图）图21重度热胶合PAGEPAGE16图22重度热胶合5.5轻度黏着磨损通常发生在齿轮跑合过程中，并且通常在局部磨损去除微小的缺陷使齿面变光滑后黏着磨损也可能是由于齿轮轻微干涉产生的金属与金属直接接触而导致的，更严重的干涉会引起齿轮塑性变形。见5.8节。微动腐蚀23（注：布氏压痕（见8.3节）是一种单独的失效模式，与假布氏压痕无关。PAGEPAGE43图23微动腐蚀24（8.13标引序号说明：1——齿顶；2——节线；3——齿根；4——具有刻痕和宏观点蚀的塑性变形。图24由于齿顶和齿根干涉而导致的干涉磨损概述微点蚀μm～20μm25～3031和32图25未渗碳齿轮齿面微点蚀图26鼓形感应淬火直齿轮上的微点蚀图27渗氮磨削直齿轮上的微点蚀标引序号说明：1——滑动方向；2——滚动方向；3——节线。注：图中为渗碳剃齿小齿轮。图28显示微点蚀的齿面细节标引序号说明：1——裂纹扩展方向；2——毛边；3——滑动方向。图29放大500倍后显示微点蚀的齿面细节图30规律分布的微点蚀标引序号说明：1——微点蚀坑；2——起始点；3——点蚀坑；4——共轭齿廓；5——齿廓与共轭齿廓的滑动方向。图31微点蚀引发的宏观点蚀坑示意图注：箭头表示滑动方向。图32微点蚀引发宏观点蚀的发展过程概述（38）33～42根据损伤的特征和严重程度，宏观点蚀可分为非扩展性、扩展性、点-面-源（PSO）或剥落。注：非扩展性宏观点蚀的锐边会随着时间磨损，并因磨损而变得光滑。注：SEM图像显示了宏观点蚀坑边界附近的疲劳裂纹。图33宏观点蚀损伤非扩展性宏观点蚀通常由出现在局部区域的小而浅的宏观点蚀坑组成。它们倾向于通过去除高粗图34非扩展性宏观点蚀扩展性宏观点蚀通常由以递增速率扩展的宏观点蚀坑组成，直到齿面大部分具有各种形状和尺寸的宏观点蚀坑。见图35。图35扩展性宏观点蚀图36蜗轮蜗杆传动中的综合宏观点蚀和磨损点-面-源（PSO）点蚀由相对较浅但面积较大的材料缺失区域组成。疲劳裂纹从齿面的一个起点以扇形方式扩展，直到薄片材料分离并形成三角形凹坑。见图37～图42。对于表面硬化齿轮，PSO点蚀通常从微点蚀区域萌生。图37硬化齿轮上的点-面-源点蚀注：箭头所指的是其中两个“贝纹”。图38硬化齿轮上的点-面-源点蚀图39硬化齿轮上的点-面-源点蚀注：1.5×107循环后的渗碳斜齿轮。图40伴随微点蚀的点-面-源点蚀注：3.0×107循环后图40所示的渗碳斜齿轮。图41伴随微点蚀的点-面-源点蚀图42表面硬化齿轮上的点-面-源点蚀见图43图43剥落点蚀）（44～图46图44表层压碎（次表层疲劳）图45表层压碎）图46表层压碎）白层剥落是指渗氮齿轮上的部分复合层（白层）脱落，留下浅浅的凹痕，外观呈白色。见图47。图47白层剥落（TFF）——由承载齿面区域内的裂纹引发，通常位于约齿高的一半处；——主裂纹萌生于承载齿面硬化层以下较深的地方，通常位于表层到心部的过渡区或更深处；——主裂纹的成因通常但并不总是与小型非金属夹杂物有关；——当主裂纹与非金属夹杂物有关时，它通常沿主应力方向扩展；当主裂纹由于表层压碎产生时，裂纹沿与齿面平行的方向扩展，但随后会扩展为TFF；——主裂纹从初始裂纹向两个方向扩展，一个向负载齿面扩展，另一个向相反的齿根部位往心芯部扩展；——由于表层较高的硬度和残余压应力，裂纹向齿面扩展的速度比往心部扩展的速度要小；——主裂纹与齿面之间的角度约为40°～50°；——由于内部的主裂纹，可能会出现源自齿面的二次裂纹和次生裂纹；——一旦主裂纹到达承载齿面，裂纹扩展速率就会迅速增加；——轮齿最终断裂是由于外力造成的，通常根据局部弯曲应力扩展。——断裂的表面显示出典型的疲劳特征，在萌生点周围有一个裂纹晶状体和一个受外力断裂的残余区。——在许多情况下（但不是全部），在齿廓上没有观察到与表面有关的失效迹象，如宏观点蚀或微点蚀。48～53标引序号说明：A～E——与从动齿轮啮合线上A-E点对应的齿廓位置1——承载齿面；2——裂纹萌生和主裂纹；3——裂纹扩展方向；4——二次裂纹。图48齿面断裂裂纹扩展图49斜齿轮的齿面断裂（从承载齿面观察视图） a）侧视图 b）断齿分断口视图c）裂纹萌生区域的放大视图 d）含非金属夹杂裂纹萌生区的SEM图像标引序号说明：1——承载齿廓；2——主裂纹；3——二次裂纹；4——鱼眼/裂纹晶状体；5——带有非金属夹杂物的裂纹萌生区域；6——受力断裂的区域；7——疲劳断裂的区域；8——裂纹晶状体区域的断口。图50直齿轮上夹杂物引起的齿面断裂图51锥齿轮的齿面断裂图52显示有非金属夹杂物的断齿部分的断口图52显示了一个因齿面断裂而失效的轮齿断齿部分的断口，其次表面的非金属夹杂物位于齿轮负5mm52（此外，斜齿轮齿面断裂疲劳裂纹往往只去除齿端，而直齿轮通常在整个齿宽范围内突然断裂。 a）全齿 b）放大视图图53表层压碎引起的齿面断裂深层齿面断裂，TIFF/（）54～图55注：路径扩展。A～E——与从动齿轮啮合线上A-E点对应的齿廓位置；1——负载齿面；2——端面；3——裂纹。图54惰轮上的TIFF特征裂纹路径图55惰轮上的TIFF失效齿根弯曲疲劳断裂的特征在于弯曲疲劳裂纹萌生于齿根圆角区域。这些位于齿根区域的弯曲疲劳裂纹有时被简称为齿根圆角裂纹，参见图56～图62。61～图62图56标引序号说明：1——裂纹源；2——贝纹；3——棘齿裂纹。图57两个斜齿轮轮齿的弯曲疲劳断裂图58直齿轮的弯曲疲劳断裂标引序号说明：1——裂纹扩展区；2——断裂区。图59两个锥齿轮小轮轮齿的弯曲疲劳断裂标引序号说明：1——裂纹扩展区；2——断裂区。图60双齿廓受载的多个轮齿的弯曲疲劳断裂图61多个轮齿齿端疲劳断裂图62斜齿轮齿端疲劳断裂63～图65。图63轮缘裂纹图64贯穿硬化内（环）齿轮的轮缘裂纹标引序号说明：1——裂纹源；2——裂纹扩展区；3——断裂区。图65图64中轮缘裂纹的断口概述概况断口的局部区域可以同时表现出韧性和脆性特征。在这些条件下，断裂被称为混合模式断裂。见图69～图73。表3总结了脆性和韧性非疲劳断裂的主要宏观和微观特征。不同断裂类型的SEM照片如图66～图69所示。表3非疲劳断裂分类断口特征脆性断裂韧性断裂反光性明亮的有光泽灰色的（深色的）无光泽纹理粗大的丝状的光滑的细小的断口特征脆性断裂韧性断裂似粒状纤维状（细长的）取向平的斜的或平的图案放射状脊V字形剪切唇变形量可忽略不计的塑性变形明显的塑性变形微观特征解理（平面）剪切（韧窝）66677071图66穿晶脆性断裂的SEM图像图67沿晶脆性断裂的SEM照片韧性断裂6872图68韧性断裂的SEM图像半脆性断裂图69混合模式断裂的SEM图像齿根折断68～图71。标引序号说明：1——起始点；2——剪切带；3——放射状脊。图70图71图72具有韧性断裂特征的齿根折断图73具有混合模式断裂特征的齿根折断齿端折断当只有轮齿的末端被折断时，这被称为齿端折断。见图74。图74锥齿轮齿端折断轮齿剪断轮齿剪断如图75所示。剪切表面的形貌（未显示）与加工表面的形貌相似。图75轮齿剪切断裂概述压痕76图76重度压痕布氏压痕（5.7节）冷流动冷流动是在低于再结晶温度时发生的塑性变形。热流动7778FeO图77热流动图78热流动塑性变形后折断79——当载荷引起的应力超过材料强度时（冷流动后断裂）；——当齿轮材料在运转过程中因过热而弱化（热流动后断裂）。图79塑性变形后折断滚压塑变滚压塑变可以发生在轮齿的有效齿廓上，齿面材料的移动会沿着主动齿轮轮齿节线形成沟槽和在齿顶齿根形成飞边，而从动齿轮齿面材料可以沿节线移动形成脊，见图80。图80滚压引起的塑性变形轮齿锤击塑变8.3）81图81轮齿锤击塑变起皱8284图82起皱图83起皱图84起皱起脊图85准双曲面齿轮负载齿廓的明显起脊飞边飞边是重载、高摩擦、滚压塑变或胶合作用下轮齿边缘的出现粗糙且常为尖锐的外延部分，见图86～图88。通常，飞边只发生于未经过齿面硬化的齿轮，有时也会在制造过程产生。图86飞边在图8788图87飞边图88清洁前齿轮上的飞边（存在油液，一块飞边轻微地附着在上面）干涉变形（，5.824锻造裂纹图89锻造缺陷处裂纹硬化裂纹9091图90硬化裂纹图91感应淬火齿轮齿根中心附近的淬火裂纹磨削裂纹92注：该图片是用紫外线进行磁粉检测时所拍摄。图92龟裂状磨削裂纹氢脆和内部残余应力致失效（）注：巴克豪森磁弹法是一种磁力探伤方法。ISO93图93蚀刻后可见磨削烧伤在某些情况下，采用化学表面强化工艺，过热也可以被检测到。注1：磨削烧伤可能导致磨削裂纹，见9.3节。图94磨削烧伤导致的宏观点蚀图95显示了经硝酸酒精溶液蚀刻后轮齿烧伤区域。大面积轮齿烧伤区域（图中标记为1）沿径向剖开，左侧可见烧伤区域