磨削裂紋是碳素鋼和滲碳鋼經(jīng)熱處理淬火后，在磨削時(shí)比較常見(jiàn)的加工質(zhì)量問(wèn)題，磨削裂紋通常情況下較淺，一般深度為0.02～0.20 mm，且裂紋垂直于或大致垂直于磨削面。然而，筆者在近幾年的失效分析中發(fā)現(xiàn)，有些磨削裂紋深度是前述最大深度的5倍，約1mm 深，且裂紋并非垂直或大致垂直于磨削面向縱深發(fā)展，而是起裂于表層，然后改變方向，最終沿平行于磨削面的淺表層發(fā)展。

　　某齒輪滲碳淬火后，對(duì)花鍵齒頂、齒面、齒根進(jìn)行磨削，花鍵齒頂采用外圓磨，齒面及齒根采用成形磨，磨削完成后進(jìn)行磁粉檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)數(shù)個(gè)花鍵齒頂及齒根有裂紋，花鍵齒頂裂紋呈細(xì)網(wǎng)狀，齒根裂紋呈粗網(wǎng)狀，如圖1所示，圖1a)中裂紋為常見(jiàn)磨削裂紋，圖1b)中裂紋即為上述的非常見(jiàn)磨削裂紋。因此，筆者采用化學(xué)成分分析、非金屬夾雜物檢測(cè)、金相檢驗(yàn)等方法，對(duì)該裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，并從應(yīng)力角度對(duì)磨削裂紋進(jìn)行分類(lèi)。

　　圖1 齒輪齒頂和齒根裂紋宏觀(guān)形貌

　　1 理化檢驗(yàn)

　　化學(xué)成分分析： 對(duì)齒輪未滲碳部位進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1。可見(jiàn)齒輪的化學(xué)成分符合EN10084-2008《滲碳鋼——交貨技術(shù)條件》的要求。

表1 齒輪的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

　　非金屬夾雜物檢驗(yàn)：依據(jù) GB/T10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定——標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》，對(duì)該齒輪沿軸向取樣，對(duì)其進(jìn)行非金屬夾雜物檢驗(yàn)。可見(jiàn)其非金屬夾雜物主要為球狀氧化物，夾雜物評(píng)級(jí)結(jié)果為：A(硫化物類(lèi))細(xì)0級(jí)，B(氧化鋁類(lèi))細(xì)0級(jí)，C(硅 酸鹽類(lèi))細(xì)0級(jí)，D(環(huán)狀氧化物類(lèi))細(xì)0.5級(jí);滿(mǎn)足 A 類(lèi)、C類(lèi)、D類(lèi)非金屬夾雜物不高于1.5級(jí)，B類(lèi)非金屬夾雜物不高于1.0級(jí)的企業(yè)技術(shù)要求。

　　金相檢驗(yàn)：沿齒頂裂紋處將試樣剖開(kāi)，以便觀(guān)察裂紋縱向形態(tài)，齒頂裂紋縱剖面微觀(guān)形貌如圖2所示?？梢?jiàn)在齒頂處有深約0.20mm 的縱深裂紋，裂紋大體垂直于齒頂向里延伸，裂紋在齒頂表面處開(kāi)口較大，向內(nèi)逐漸變細(xì)，尾部沿晶發(fā)展呈尖細(xì)狀，如圖3所示。在齒頂局部區(qū)域發(fā)現(xiàn)有白亮組織，如圖4所示。將試樣230 ℃低溫回火3h后，白亮組織消失，由此可推斷該白亮組織為磨削二次淬火，二次淬火組織經(jīng)回火后轉(zhuǎn)變成回火馬氏體組織，與基體組織無(wú)差異，故而“消失”。

圖2 齒頂裂紋處縱剖面微觀(guān)形貌　

圖3 齒頂裂紋微觀(guān)形貌　　

圖4 齒頂表層白亮組織的微觀(guān)形貌

　　將齒根裂紋沿平行于齒端平面剖開(kāi)，觀(guān)察齒根裂紋形貌，如圖5所示，可見(jiàn)裂紋未沿縱深方向擴(kuò)展，而是沿淺表層延伸，最深處約1.00mm，裂紋在表層開(kāi)口較寬大，末端較尖細(xì)且沿晶發(fā)展，在齒根裂紋附近有白亮組織。　　

圖5 齒根裂紋微觀(guān)形貌

　　2 分析與討論

　　由以上理化檢驗(yàn)結(jié)果可知，在該齒輪齒頂發(fā)現(xiàn)有網(wǎng)狀龜裂，表層金相存在白亮組織，經(jīng)230℃低溫回火后白亮組織消失，可推斷白亮組織為二次淬火組織;從裂紋形態(tài)來(lái)看，齒頂裂紋呈細(xì)網(wǎng)狀，深度較淺，約0.2mm 深，且裂紋從表面向縱深發(fā)展，大致垂直于齒表面，屬典型網(wǎng)狀龜裂磨削裂紋。齒根發(fā)現(xiàn)少量的白色組織也為二次淬火組織，但與齒頂?shù)湫湍ハ骷?xì)網(wǎng)狀龜裂裂紋不同，齒根裂紋呈粗網(wǎng)狀，通過(guò)解剖發(fā)現(xiàn)，裂紋并非沿縱深方向發(fā)展，而是改變方向，最終沿平行于表面的淺表層方向進(jìn)行擴(kuò)展，橫穿齒根裂紋的擴(kuò)展方向與磨削方向一致，且裂紋較深達(dá)1.0mm。該類(lèi)裂紋產(chǎn)生的主要原因是磨削齒輪時(shí)進(jìn)刀量過(guò)大，使摩擦應(yīng)力陡增，摩擦應(yīng)力與熱應(yīng)力共同作用，將材料表面拉裂。

　　由磨削造成的裂紋統(tǒng)稱(chēng)為磨削裂紋，按裂紋形狀可分為網(wǎng)狀、放射狀、蜷曲狀、星點(diǎn)狀;按磨削熱致使工件表面溫度上升，導(dǎo)致表面發(fā)生兩次收縮而產(chǎn)生裂紋，可把磨削裂紋分為由第一次收縮引起的第Ⅰ類(lèi)裂紋和由第二次收縮引起的第Ⅱ類(lèi)裂紋。以上分類(lèi)從裂紋的形態(tài)特征和裂紋產(chǎn)生的原理上對(duì)磨削裂紋進(jìn)行了分類(lèi)，從而可以鑒別和預(yù)防磨削裂紋。然而前文中深度較深的磨削裂紋是一種不太常見(jiàn)的磨削裂紋，為將該類(lèi)磨削裂紋與常見(jiàn)磨削裂紋進(jìn)行區(qū)分，筆者從致使磨削裂紋產(chǎn)生的主導(dǎo)應(yīng)力角度，對(duì)磨削裂紋進(jìn)行了分類(lèi)，將磨削裂紋分為內(nèi)應(yīng)力主導(dǎo)的磨削裂紋和摩擦應(yīng)力主導(dǎo)的磨削裂紋。從應(yīng)力角度來(lái)講，零件出現(xiàn)裂紋或者發(fā)生開(kāi)裂是由于應(yīng)力超過(guò)了材料抗力。在磨削加工過(guò)程中，在上次進(jìn)刀磨削后，零件表面有組織應(yīng)力、熱應(yīng)力以及表面的塑性變形應(yīng)力，這幾種應(yīng)力均屬于殘余內(nèi)應(yīng)力，再次進(jìn)刀進(jìn)行磨削時(shí)，表面除受以上殘余內(nèi)應(yīng)力外，還受摩擦應(yīng)力，進(jìn)刀量越大，摩擦應(yīng)力也越大，轉(zhuǎn)換的熱能則越多，若冷卻條件不變，熱應(yīng)力、塑性變形應(yīng)力的殘余內(nèi)應(yīng)力也越大。殘余內(nèi)應(yīng)力與摩擦應(yīng)力共同存在，在殘余內(nèi)應(yīng)力主導(dǎo)下產(chǎn)生的磨削裂紋向縱深方向發(fā)展，且深度較淺，一般為0.02～0.20mm，并且多數(shù)裂紋是在磨削完成后一段時(shí)間才產(chǎn)生，該類(lèi)裂紋筆者將其稱(chēng)為內(nèi)應(yīng)力磨削裂紋;在摩擦應(yīng)力主導(dǎo)下產(chǎn)生的磨削裂紋，裂紋從表面起裂，最終朝平行于表面的淺表層方向擴(kuò)展，且深度較深，該類(lèi)裂紋在磨削當(dāng)時(shí)便產(chǎn)生，筆者將其稱(chēng)為摩擦應(yīng)力磨削裂紋。

　　3 結(jié)論及建議

　　(1)該齒輪齒頂、齒根裂紋是因?yàn)槟ハ鼾X輪時(shí)進(jìn)刀量過(guò)大，使得摩擦應(yīng)力陡增，該摩擦應(yīng)力與內(nèi)應(yīng)力的共同作用下，將材料表面拉裂。

　　(2)從致使磨削裂紋產(chǎn)生的主導(dǎo)應(yīng)力角度對(duì)磨削裂紋進(jìn)行了分類(lèi)，將磨削裂紋分為內(nèi)應(yīng)力主導(dǎo)的磨削裂紋和摩擦應(yīng)力主導(dǎo)的磨削裂紋，該齒輪齒頂裂紋屬于內(nèi)應(yīng)力主導(dǎo)的磨削裂紋，齒根裂紋屬于摩擦應(yīng)力主導(dǎo)的磨削裂紋。

　　(3)建議在磨削齒輪時(shí)減小進(jìn)刀量，使摩擦應(yīng)力降低，防止此類(lèi)齒輪磨削裂紋的發(fā)生。