三种贝氏体球铁齿轮抗弯能力的试验研究

D0I:10.13374/j.issn1001053x.198M.s1.020 北京钢铁学院学报 1984年增刊1 三种贝氏体球铁齿轮抗弯能力的试验研究 t 北京钢铁学院范民政康以蟹 北京市机电研究院梁喷 摘耍 本文总结了三种贝氏体球铁齿轮的齿根弯曲疲劳极限应力口：。的测定结果。 根据齿轮疲劳强度的快速测定方法，采用ISO/TC60424《直齿及斜齿园柱齿轮传 动承载能力计算的基本原理》，求得循环基数N0=3×10°时的σ11。（可寡度为 99%)分别为： 材 料 我国钒钛 芬兰铜钼 美国铜钼 OFiIn(N/mm 2) 305.7 242.32 240.65 作者对测定结果和断口特点进行了初步分析。 引 言 贝氏体球墨铸铁是一种十分有前途的齿轮材料。目前常见的有四种类型： 1.铜钼下贝氏体球铁（以后简称我国铜钼）， 2.钒钛下贝氏体球铁（以后简称我国钒钛），这是我国特有的一种球铁，【】 3。铜钼下贝氏体一马氏体球铁（以后简称美国铜钼），这是美国通用汽车公司研究 采用的，目前在美国已得到广泛应用，【) 4,铜钼上贝氏体一奥氏体球铁（以下简称芬兰铜钼），这是芬兰研制成的。【】 这四种贝氏体球铁各有特点，但作为齿轮材料，还未见过关于承载能力系统研究的国内 外资料。 我组根据有关资料，设计了齿轮试件。热处理后，经力学性能测定和金相检验，其机械 性能和组织结构与有关资料一致。 对我国铜钼的接触疲劳和弯曲极限应力作了系统的测定，【】对其它三种球铁齿轮则在 前面的基础上，用阶梯加载快速测定极限应力方法【1，对接触疲劳极限应力(·1）和 弯曲疲劳极限应力(D)进行了测定和比较。 试验条件 本试验通过9对齿轮，在已测得我国铜钼σ。-N曲线【7I的基础上，分别对另三种贝氏体 球铁齿轮作了弯曲疲劳极限应力σ11m的测定。 55

北 京 钢 铁 学 院 学 报 年增刊 三种贝氏体球铁齿轮抗弯能力的试验研究 北京钢铁学院 范民政 康以 ， 北 京市机 电研 究 院 梁 吸 摘 奥 本文 总结 了三 种贝 氏体球铁齿轮 的齿根弯 曲疲劳极 限应 力 ， 。 的 测定 结果 。 根 据齿轮疲劳强度 的 快速 测定 方 法 ， 采 用 《 直齿及 料齿 园柱 齿轮传 动承 载能 力计算的墓 本原理 》 ， 求得 循环 墓 数 。 ’ 时的 ， ， 。 可 亦 度为 分 别为 材 料 川 。 忍 我 国钒钦 芬 兰铜钥 美国铜钥 作者对 测定结果和 断 口 特点进 行 了初 步分析 。 引 、 臼 贝氏 体球墨铸 铁是一种十分有前途的齿轮材料 。 目前常见的 有四 种类型 铜钥 下 贝 氏体球铁 以后 简称我国铜钥 ， 钒钦下 贝 氏体球铁 以后 简称我国钒钦 ， 这 是我国特有的一种球 铁 ， ‘ 】 铜钥 下 贝 氏体— 马 氏体球 铁 以后 简称美国铜钥 ， 这 是 美国通用 汽车公 司研究 采用的 ， 目前 在美国 已 得到广 泛应用 ’ 铜钥 上 贝氏体— 奥氏体球铁 以下 简称芬兰铜钥 ， 这 是芬兰研 制成的 。 【 】 这 四 种 贝 氏体球铁 各有特点 ， 但作为齿轮材料 ， 还未见过关于承载能 力 系统研究的 国 内 外资料 。 我组根据 有关资料 ， 设计了齿轮试 件 。 热处理后 ， 经力学 性能 测 定 和金 相检验 ， 其机械 性能和 组织结构与有关 资料一 致 。 对我 国铜钥 的 接触疲劳和弯 曲极限应 力作 了系统的 测定 ， 对其它三 种球 铁齿轮则在 前面的 基础 上 ， 用 阶 梯加载 快速 测 定极限应力方法 ， 对接触疲劳极限应 力 。 和 弯曲疲劳极限应力 ， 。 进行 了测定 和 比较 。 试 验 条 件 本试 验通过 对齿轮 ， 在 已测 得我 国铜 铂 。 广 曲线 的 基 础 上 ， 分别 对另三 种 贝 氏体 球 铁齿轮作了弯 曲疲劳极限应 力。 ， ， 的 测 定 。 DOI ：10．13374／j ．issn1001—053x．1984．s1．020

1. 试验装置：机械封闭弹性轴杠杆加载式齿轮综合试验台。【」 2.试验齿轮 （1)材质：列于表1 (2)试件的参数和编号：表2 (3)试件结构 表1 种类 我国钒钛 美国铜钼 芬兰铜钼 化学成分 V0.3%Ti0.1% Cu0.5%Mo0.2% Cu0.5%Mo0.2% 930℃ 380300℃ 900~910℃ 10 0 40 等温淬火 工艺 280℃ 250℃ 370℃ F 60 60 ookgf/m m2 130 120 103 0o.akgf/ mm* 112 103 82 机 Re 40.32 47.1 32.9 械 8% 0.8 0.9 4.7 性axkgf//cm2 4.55 10.5 能Ekgf/mm2 1.65×104 1.54×10 1.62×10 屈强比60,2 0.86 0.86 0.79 Ob 相 组 金相组织 ×400 ×400 ×400 石墨球化2级，大小为 石墨球化1级，大小为 石墨球化2级，大小 3级基体为：下贝氏体加少 3级基体为：下贝氏体加少 为3级基体为：上贝氏体 量铁素体 量马氏体有少量碳化物 加残余奥氏体 56

试 验装置 机械封 闭弹性轴杠杆 加载式齿轮综 合试 验台 。 ‘ 试 验齿轮 材质 列 于 表 试 件的 参数 和编号 表 试 件结构 表 种类 我 国钒钦 美国铜钥 芬兰铜钥 化学 成分 立… 、 二… 一 ℃ 刃叭 。 ， 。 。 ’ … ‘ ‘ 一 卜 ‘ · “ ’ 。 ‘ 又 屈 强 比黔 一 】 ’ ” 五攀球 化 级 ， 大小 为 器淤 下 贝 氏体加 少 金相 组织 石墨球 化 级 ， 大小 为 级 基体为 下 贝 氏体加 少 量 马 氏体有 少量碳 化物 石墨球 化 级 ， 大小 为 级 基体为 加残余奥氏体 上 贝 氏体

表2 直齿圆柱齿轮 模数m=3mm a=20° Z=50 加工精度7级 平均齿根圆角p1=0.6mm 材料 试验号 齿轮号 齿宽b 硬度 最大基节差 顶圆 根圆 mm) RC fpbmax(μm)da(mm) df(mm) 20-05 18.5 40 14.5 155.8 141.05 81-03-01 20-04 20.5 40.98 17 155.7 141.37 钒 20-02 18.5 40.28 15.5 155.7 141.30 81-03一02 钛 20-06 20.35 39.64 17 155.9 141 20-01 18.5 42.44 14 155.7 141.29 81一03-03 20-08 20.34 40.3 18 155.86 141.33 铜 21-01 18 47.09 29 155.75 141.8 81-05-01 21-06 19.5 49.35 12 155.85 141.06 21-04 18.2 49.22 13.5 155.9 141.42 81一05-02 21-05 19.4 48.98 20 155.95 141.1 马氏体 21-03 17.8 49.16 17 155.9 141.8 81-05-03 21-02 19.2 47.12 26 155.81 140.7 铜 22-05 19.4 31.01 22 155.78 140.87 81一04-01 22-01 19.4 32.57 10 155.72 140.28 责 22-04 18.8 32.02 15 155.66 141.09 81-04-02 22-03 19.3 33.13 20 155.76 140.71 奥氏体 22一06 18.4 30.56 9 155.86 141.45 81-04-03 22一02 19.4 31.28 10 155.7 141.19 钒钛下贝氏体球铁齿轮的结构如图1(a),通过六个孔用螺栓和试验箱中的花键套固接。 美国铜钼和芬兰铜钼齿轮的结构如图1(b)所示，利用轮毂端面的凹槽和试验箱中凸起联 接。 (a) (b) 图1试件结构 57

表 直齿圆柱齿轮 加工精度 级 模数 二 平 均齿根 圆角 ， 一 … 一二 材料 试 验号 齿 轮 号 … 齿宽 硬 度 最大基节差 顶 圆 卜 根 口 》 一 一 一 一 。 一 一 一 一 钒钦 ‘上‘ 件片︸一通 一 一 一 一 ，自， 自 一 一 。 … · 一 一 ‘ 城︸口︸ 一 一 一 一 户 一 一 一 一 钥铜下氏体贝马 上 ，丹‘ ‘ 心自︸ 厅丹‘才匕‘一 ︸自 ， 一 一 一 一 自， 勺户甘 内 八丹 了，上甘 一 一 一 一 只 一 一 一 一 钥铜奥贝体上氏 一碑 钒钦下 贝 氏体球铁齿轮的 结构如 图 ， 通过六 个孔用 螺栓和试 验箱 中的花键套 固接 。 尸 美国铜钥 和芬 兰铜 钥 齿 轮的 结 构如 图 所 示 ， 利用 轮毅端面 的 凹槽 和试 验 箱 中凸起 联 接 。 目卜州 乙 么荃 试件 结构

试验过程 1.运转前准备 每对齿轮安装好后，用涂色法测齿而接触长度，若偏载严重，则进行调整直到较为均 匀。加载20.25kgfm跑合8小时。 2.加戴方式和运转 正式试验时以Locoti阶梯加载 方式进行。所有试件的起始载荷均 为42.25kgfm。估算起始弯曲应力 or0=563.3N/mm2。 (计算时假定kA=1,kv=1.2, kpp=1:kra=1,yp==1.51 y=3,y,=1) n: 每运转2.5小时后停车检查，并 加载，载荷增加量为4kgfm,折合 图2加载曲线 弯曲应力为△=53N/mm2。每一 阶梯的循环次数为ni=222750次，循环比率△o/ni=2.4×10一◆。加载曲线如图2所示。逐 次加载直至断齿。 3.润滑 润滑方式为连续压力润滑，入口处喷油。润滑剂为50号机油。出口油温为35°~45℃。 4.试验结果 如表3所示，表中粗线表示每对试件正常运转所能到达的载荷台阶。 载荷 2345678910 试件号 丛我 422546.2550.255425582562.256625702574257B258225 20-0520-04 新一生 20-0220-06 断齿逝-蓝 20-08 21-0l 214 2105 尚五幽 2103 21-02 逝-查 3 22-01 断一查 22-3 22-0 2202 58

试 验 过 程 运 转前准 备 每对齿轮安装 好 后 ， 用 涂 色法测齿 而 接触 长度 ， 若偏 载严 重 ， 则进行 调 整直 到较 为均 匀 。 加载 跑合 小时 。 加 峨 方式和 运转 正 式试 验时以 阶 梯加载 方式进行 。 所 有试 件的起 始 载 荷 均 为 。 估算 起 始弯 曲 应 力 ， 。 计算时假 定 ， 、 ， ， ， ， 。 ， ， ， 。 ， 。 二 每运 转 小时后 停 车 检 查 ， 并 加载 ， 载荷增 加 量 为 ， 折 合 匕 。 又 合 图 加 载 曲线 弯曲 应 力 为△ 。 每一 阶梯的 循环 次数为 二 。 次 循 环 比率 △ 。 一 ‘ 。 加载曲线如 图 所示 。 逐 次加载直至 断 齿 。 润 滑 润 滑方 式 为连 续压 力润 滑 ， 入 口 处喷 油 。 润 滑 剂 为 号 机油 。 出 口 油温 为 。 ℃ 。 试挂结果 如表 所示 ， 表 中粗线 表示 每对试 件正常运 转所能 到达 的 载荷 台阶 。 俪祥裂 乡 留 袱乃 城乃皿乃 夕口 毖乃 万么乃 石，乃 双万 一乃 形乃 田乃 主幼特 粼幼粉， 公外万 勿 一 断一 丙 哪 匕厂 勿 断一 忆 内 扮 即忆形 匕 断一齿 — 厂 功哪 夕卜如 匕 断四揭 厂 刀刃 ，助 匕 舒齿 尸 哪 一 巧 嫩曲 之自乃 ‘ 阶 一 齿 刃 一 匕尸 淤 斜 【 匕 一 尸 扮侧 左 ‘ 断二公 仍 一 」 匕 厂 斜 左招夕 一 匕 — 厂

数据处理 1,齿根弯曲应力计算 (1)计算公式：本试验采用IS0/TC60/WG6119E一201E的计算方法中的B法【1。 计算公式为： Ft Cp=bM ypy:yokakvkpikpa (2)为了和ISO/TC60/WG6201E的弯曲极限应力在相同的条件下进行比较，须用 下列公式换算【5】 Op!=Op/YSTYNYoreITYRIeITYx (3)按以上公式分别计算出各个阶梯的σ和·'（此处从略）。 2.累积损伤计算 根据我国铜钥齿根弯曲疲劳极限应力的系统测定所得σ-N曲线，【) gg87N=2.016×1018 (1) 作为参考曲线。另设二条与其平行的辅助参考曲线 04887N=1.1334×101° (2) o4887N=4.447×1018 (3) 分别以N。5=5×10°（因在我国铜钼弯曲试验中确有N,>5×10的试件）和N。3=3×10 (为便于和其它材料对比)为循环基数。计算出各阶梯的载荷相对于这三条参考曲线的极限 循环次数Ni和每一阶梯的疲劳损伤度ni/Ni,最后计算出试件在整个试验过程中的累积损 伤值ni/Ni,见表4， 当N,5=5×10°时三条参考曲线的对应Op11n 为： 0}m=237.01 0m=337.46影 0f11m=278.66 当N。3=3×10°时三条参考曲线的对应011m值 为： 01}m=263.01, 071。=374.64,6 1m=309.37 3.极限应力 由表4所得试件的累积损伤∑i/Ni,与相应参考曲线的极限应力gp11m,可用图解法 或解析法求得试件的极限应力值。 图3,4,5为图解法所得结果。此三图为N。=5×10时三种材料的工-0，曲线当 工晋=1时的@值，即为此种材料的0,11。 利用Lagrangl描值公式可算得同样空结果、计算公式为： P(),+ (x-xo)(x-xz)…(x-xn) (x1-x)(x1-x2)…(x1-X)y1+…+ +刘 59

数 据 处 理 齿根 有曲应 力计算 计算 公 式 本试 验采用 一 的 计算方法 中的 法 ‘ 。 计算公式为 仃 石丽 ， ， ， 。 为了 和 · 的弯 曲极 限应 力 在相 同的 条件下进 行 比较 ， 须 用 下列 公 式换 算 〔 。 ，， 。 ， ， ， 。 ， 按 以 上公 式分别 计算 出各个阶梯 的 ， 和 ‘ 此处从略 。 爪积 抓伤计林 根据 我国铜钥 齿根弯 曲疲 劳极限应 力的系统测定所 得 一 曲线 ， ， ‘ ’ 作 为参考曲线 。 另 设二 条与其平行 的 辅助 参考曲线 ’ ‘ ’ ’ 分另 以 。 ‘ 因在我国铜银弯曲试 验中确有 的试 件 和 。 为便于 和其 它材料对 比 为循环 基数 。 计算出各阶梯的 载荷相 对于这三 条参考曲线 的 极 限 循环次数 和每一阶梯的疲 劳损伤 度 ， 最后 计 算 出试 件在 整个试 验过程 中的 累积 损 伤 值 公 ， 见 表 ， 当 。 “ 火 时三 条参考曲线 的 对应 ， ， 。 为 声 二 ， 若 二 ， 清 。 当 。 ， 。 。 时三 条参考曲线 的 对应 ， ， 值 为 若 清 。 ， 声 二 极限应 力 由表 所 得试 件 的 累 积 损伤 习 ， 与相应 参考曲线 的极 限应 力。 ， ， ， 可 用 图解法 或 解析法求 得试件 的 极 限应 力值 。 图 ， ， 为 图解法所 得结果 。 此三 图为 。 、 ’ 时三 种 材料的 ￡ 黑 一 一。 ， 曲线 当 、 公 卫李二 时 的 ， 值 ， 即为此种材料 的 ， ， ，二 。 利用 描值 公式可 算得同样 密 结果 、 计算公式 为 一 一 。 一 一 。 一 一 一 一 一 一 。 一 … … 一 。 … … ， 一 十 … … 一 一 … … 一 。 一 。 … … 一 。 一

表4 循环基数 N。=3×10 N。=5×10 试验号 .积 损伤 Eni/ni (N Eni/Ni &a) 0.303 374.64 0.42 337.46 81一03-01 1.235 309.37 1.34 278.66 2.97 263.01 2.97 237.01 0.511 374.64 0.638 337.46 81一03一02 1.791 309.37 1.898 278.66 4.2 263.01 4.2 237.01 0.398 374.64 0.5 337.46 81-03-03 1.355 309.37 1.48 278.66 3.27 263.01 3.27 237.01 0.087 374.64 0.29 337.46 81一04-01 0.704 309.37 0.83 278.66 1.828 263.01 1.828 237.01 0.461 374.64 0.517 337.46 81一04一02 1.512 309.37 1.68 278.66 3.714 263.01 3.714 237.01 0.104 374.64 0.228 337.46 81一04-03 0.758 309.37 0.813 278.66 1.870 263.01 1.932 237.01 0.24 374.64 0.37 337.46 81-05-01 0.936 309.37 0.936 278.66 2.06 263.01 2.06 237.01 0 374.64 0.17 337.46 81-05-02 0.458 309.37 0.458 278.66 1.159 263.01 1.159 237.01 0.258 374.64 0.368 337.46 81一05-03 I.035 309.37 1.035 278.66 2.26 263.01 2.26 237.01 60

表 循环基数 累 试 验号 、 积 钾 伤 、 、 、 口 郧 性吸口。月 自叮任‘ 一 一 一 一 、 。 凡丹了︸一﹄ 一“ ︸﹃ 性自一一﹄滩 一 一 … · 。 。 。 ‘ 」八廿内 … 上八︸ 一 。 一 一 一 一 一 一 。 “ · ” “ · ” “ · ” 一 一 。 一 一

os/mm人 220 0.2 230 Sn/N 0.1 2 3 n/N 图3我国钒钛工n/N一oF曲线 图4美国铜钼的∑n/N一oF曲线 230 0.2 图5芬兰铜相的∑n/NoF曲线 其中x:以相应的ni/Ni代入，y:以相应的参考曲线的o11m代入。当x=1时，所得的 pm(x)值就是试件的极限应力。成表5 表5 g单位为N/mm N。=5×I0 N。=3×10 鞋 试件号 0F11m 0F11血 gF11m0:99 0p11m O PIIm 0el1m0:●e 81-03-01 我国钒钛 297.48 323.16 81-03-02 317.78 306.51 282.75 346.37 333.28 305.69 81一03-03 304.28 330.30 芬兰铜铝 81-04-01 265.42 288.10 81-04-02 309.95 280.20 220.43 337.67 306.05 242.32 81-04-03 265.23 292.37 美 81-05-01 373.61 297.38 铜 81一05-02 233.84 262.85 203.92 267.99 292.36 240.65 钼 81-05-03 281.11 311.71 表5中or11m为材料的平均应力，σ11m·,为失效概率为0.01的极限应力。由有关资 料可知材料的疲劳极限应遵循Wεibull分布。这里为计算方便按正态分布处理

、 、 、 长 夕 枯 忿 艺。 图 我 国钒 钦 艺 一 曲线 图 美 国铜相 的公 一 曲线 ， 办 ， 匕丛处 艺。 用 ‘ 图 芬 兰 铜相 的 曲线 其 中 以相应 的 代 入 ， ‘ ， 以 相应 的 参考曲线 的 口 ， ， 。 代 入 。 当 时 ， 所 得 的 。 值 就是试 件的 极 限应 力 。 成表 炎 单位 为 名 “ 卜二 除 万汗粉二… 盯到盈阿币丁 周黔 圆赢 一 …濡… 富昆卿垫三卫 ， 吸 ， ‘ · … … … 。 。 户 ， 表 中 ， ， 二 为材料 的 平 均应 力 ， ， ， 二 。 。 。 为失 效概 率 为。 的 极 限应 力 。 由有关 资 料可 知材料 的 疲 劳 极 限应 遵 循 分布 。 这 里为计算方 便按 正态 分布 处理

分析和讨论 1,由所得数据看，四种贝氏体球铁齿轮的弯曲疲劳极限值均与ISO/TC60/WG6201E 所给的（硬度为HB=250~300)球铁og11m=160~250N/mm2(N。=3×10)相当。其中 以我国钒钛的σp11m最高，其值和同硬度的合金钢几乎相同（表6）。可以认为这种球铁是 四种贝氏体球铁中，在抗弯曲疲劳性能方面，最有前途的一种材料（其抗点蚀性能也很好， oH111m=1195.23N/mm2)。 表6 材料 ISO ISO AGMA 钒钛贝氏体球铁钒钛贝氏体球铁 合金铸钢 合金调质钢 调质钢 .(铁素体10%)（铁素体30~40%） OFIImN/m m2 245 304 341 305.69 335.54 2.本试验中钒钛试件中含铁素体10%，另一次试验中同为钒钛贝氏体球铁，但铁素体 含量为3040%，其弯曲疲劳极限更高（见表6)，可以看出铁素体含量对这种材料的抗弯 性能有很大影响。但究竞铁素体量应为多少，有待今后进一步研究。 3.经弯曲试验的试件，又进行了一次补充试验，目的是观察和对比三种贝武体球铁齿 轮经疲劳试验后，承受静载的能力。同时观察轮齿断 口，是否有疲劳裂纹。试验在万能材料试验机上进行， 所用的装置如图6所示。 补充试验结果表明，抗弯静强度和抗弯疲劳强度 完全相应。其中我国钒钛的oF=137.1kg/mm2,芬兰铜 钼gp=131.5kg/mm2,美国铜钼or=113.0kg/mm2 其中我国钒钛在十个断齿中无一有疲劳纹，芬兰铜钼有 二个出现疲劳纹，美国铜钼出现三个。这一现象进一步 证明我国钒钛贝氏体球铁确有较好的抗弯性能。 4. 由疲劳试验的结果看，材料的弯曲疲劳极限基 图6补充试验装置 本上和材料的σ相应。但芬兰铜钼的σ。低于美国铜钼 1-加载器2-心轴3-支架 而疲劳强度和补充试验的结果均高于美国铜钼。这一现 象值得注意。初步分析是由于芬兰铜钼中有残余奥氏体 存在，经过疲劳试验的齿轮在载荷作用下，产生加工硬 化现象，从而提高了静强度和疲劳极限。若把我国钒钛 按芬兰铜钼的工艺来处理，使其也带有一定量的奥氏 体，是否会出现更为理想的材料，这是一个值得尝在和 探讨的问题。 5,切削加工所产生的残余应力对齿根弯曲极限应 力有降低作用。本试验全部试件均为等温淬火后磨齿， 图7轮齿断口的宏观特征 且为干磨。因而磨削时产生大量热能，使齿面温度上升，达820°~840℃，足以使表面产生 组织变化，从而产生附加组织应力，再加上表面温升产生的热应力，这两种应力的迭加就可 能导致磨削表面出现裂纹，降低了材料的ar11m。ISO/TC60/MG6.201E中也提出了磨削 62

分 析和计论 由所 得数据 看 ， 四种 贝 氏体球 铁齿轮的弯曲疲 劳极 限值 均与 所给 的 硬度为 球铁。 ， ，，二 。 相 当 。 其 中 以 我国钒钦 的 ， 门 最高 ， 其值 和 同硬度的 合金钢 几乎相 同 表 。 可 以 认为这 种球铁是 四 种贝 氏体球铁 中 ， 在抗弯 曲 疲 劳性能 方面 ， 最 有前途的一种材料 其 抗点蚀性能 也很 好 ， ，， 。 表 ’ 而 ’ ’ 菩翼翁 旦里 竺 匕， 合金 调质钢 调 质 钢 钒钦 贝氏体球铁 铁 素体 钒钦 贝 氏体球铁 铁素体 ，。 本试 验 中钒钦试 件 中含铁 素体 ， 另一 次试 验 中同为钒钦 贝 氏体球铁 ， 但 铁素体 含里为 。 ， 其弯 曲疲 劳极 限更高 见表 ， 可 以看 出铁 素体含量对这 种材料的 抗弯 性能 有很 大影 响 。 但究 竟铁 素体量应 为多少 ， 有待今后 进一步研究 。 经 弯 曲试 验的试 件 ， 又 进行 了一次补充试 验 ， 目的是 观察 和对 比三种 贝 武体球铁齿 轮经疲 劳试 验后 ， 承受 静 载 的 能 力 。 同时 观 察轮齿断 口 ， 是 否有疲 劳 裂纹 。 试 验 在万能 材料试 验机上进 行 ， 所 用 的 装 锻如 图 所示 。 补充试 验结果表 明 ， 抗弯 静 强 度 和 抗 弯疲 劳强度 完 全 相应 。 其 中我国钒钦 的 ， 二 ，芬 兰铜 钥 ， 美 国铜 钥 ， 其 中我国 钒钦 在十个断齿 中无 一有疲 劳纹 ， 芬兰铜 钥 有 二个 出现疲 劳纹 ， 美 国铜钥 出现三个 。 这 一现 象进 一步 证 明我 国钒钦 贝 氏体球铁确有较好 的 抗弯 性能 。 由疲 劳试 验 的 结 果看 ， 材料的弯 曲疲 劳极 限基 下 戈少 本 上 和材料的 。 相应 。 但芬 兰 铜相的 口 。 低 于 美 国铜铂 而疲 劳强 度 和 补充试 验的 结果均高 子美国铜 相 。 这 一现 象值 得注意 。 初步分析是 由于芬兰铜 钥 中有残余奥氏体 存在 ， 经 过疲 劳 试 验 的 齿轮在 载荷作用下 ， 产生加工 硬 化现象 ， 从 而提高 了静 强度 和疲 劳极限 。 若把 我国钒钦 按 芬 兰 铜 钥 的 工 艺来 处 理 ， 使 其 也带有一 定 量 的奥氏 体 ， 是 否会出现 更为理想 的 材料 ， 这是一个值 得尝在和 探 讨 的 问题 。 切 削加工所 产生 的残余应力对齿 根弯曲极限应 图 补充 试验装置 一加 载器 一 心 轴 一 支架 ， 力有降低作用 。 本试 验全 部试 件均为等温 淬火后 磨齿 ， 图 轮齿 断 口 的宏 观特征 且 为干磨 。 因而磨 削时产生 大 量热能 ， 使齿面温 度上升 ， 达 。 ℃ ， 足 以 使表面 产生 组织 变 化 ， 从而产生 附 加组织 应 力 ， 再 加上表面温升 产生的热应 力 ， 这 两种应力的迭 加就可 能 导致磨削表 面 出 现 裂纹 ， 降低 了材料的 ， ， ， 。 中也提 出 了磨 削 门

对σ11m的影响，但没有提出具体解决办法。本文在计算中没有考虑磨削影响，放所得 0r11m值偏低。 6. 由试件断口分析，可以肯定本试验全部试件均属疲劳断齿。故疲劳破坏的有关机理 和统计规律均适用于本试验。 断口的宏观特征如图7所示。力作引在左侧，断口左侧为疲劳区，疲劳源在左上方，裂 纹自左向右扩展。 断口疲劳区扫描电镜观察到的形貌如图 8所示。图8(a)为我国钒钛，图8(b)为芬兰 铜钼，图8(c)为美国铜钼。芬兰铜钼和美国铜 钼的断口均可看出明显的疲劳条纹。这些条纹 不仅在一个视场上有，其它视场上还可看到类 似的条纹。我国钒钛的断口比较细碎，没有明 显的疲劳条纹。 和疲劳区对比，快速断裂区的形貌也很明 ×2000我国钒钛疲劳区 显，有清楚的沿晶断裂痕迹和解理断裂特征。 图9为美国铜钼的快断区形貌，另二种材料也 和此类似。 7,钒钛贝氏体球铁所以具有其它类型贝 氏体球铁更高的抗弯曲疲劳性能，其原因还不 十分清楚。但钒钛在结晶过程中都有细化晶粒 的作用，它们一般以弥散相分布于基体中，或 以硬度极高的碳化物单独存在、这对提高材料 (b) ×2000芬三铜铝波劳区 的σ11m有好作用。由金相可以看出（装1）， 在贝氏体巾有小颗粒弥散状白点，即为钒和钛 的碳化物。这些硬质点在裂纹扩展过程中有止 裂作用。从图8(a)也可看出，当裂纹扩展到硬 质点处时，硬质点阻止了裂纹的正常扩展，以 以致断口没有明显的疲芳条纹，而是细碎的网 状花样。在磨削过中，这些小质点也有利于 分散磨削应力，不易产生磨削裂纹，这样也相 ×2000美国铜钼疲劳区 应提高了材料的oF11m值。 图8一断口形貌 通过以上分析，可以得出三点结论。 (1)我国钒钛贝氏体球铁是一种很好的 新的齿轮材料。其优点是有较高的综合机械性 能，可以和某些合金钢相比，有较好的加工性 能和热处理性能，齿形经粗加工后等温淬火， 然后用硬质合金刀具精切，有很好的经济效 益，特别是在合理使用能源方面具有很大的优 越性。 (2)钒钛球铁中铁素体和贝氏体的比率 图9 ×2000美国铜钼快断区 63

对。 ， ， ，二 的 影 响 ， 但 没 有 提 出 具 体解 决办 法 。 术文在 计算中没有考 虑磨削影 响 ， 故所 得 ‘ 值 偏低 。 由试 件断 口 分析 ， 可 以肯定木试 验全 部试 件均属疲 劳断齿 。 故疲 劳破坏 的 有关机理 和统计 规律均适 用 干 木试 验 。 断 口 的 宏 观特征 如 图 所示 。 纹 自左 向右 扩展 。 力作 用 在 左侧 ， 断 口 左侧为疲 劳区 ， 疲 劳源 在 左 上方 ， 裂 断 口 疲 劳 区 扫 描 电镜 观察到 的 形貌 如 图 所示 。 图 为我 国 钒 钦 ， 图 为芬 兰 铜 铂 ， 图 为美国铜 钥 。 芬兰铜铂 和 美国铜 相 的 断 口 均可看 出明显的 疲 劳条纹 。 这 些 条纹 不 仅 在一个 视场 上有 ， 其 它 视场 上还可 看 到 类 似 的 条纹 。 我 国钒钦 的 断 口 比较细碎 ， 没 有 明 显 的疲 劳 条纹 。 和疲 劳 区对 比 ， 快 速断 裂区 的 形 貌也很 明 显 ， 有清楚 的 沿 晶断 裂痕迹 和解理断 裂特征 。 图 为 美国 铜钥 的 快 断 区 形 貌 ， 另二 种 材料也 和 此 类似 。 钒钦 贝 氏体球铁所 以 具有 其它 类型 贝 氏体球铁 更高 的 抗弯 曲疲劳性能 ， 其 原 因还 不 十 分清楚 。 但 钒钦 在结 晶过 程 中都有细 化晶粒 的 作用 ， 它们 一般 以 弥 散相 分布于 基体 中 ， 或 以 硬 度极 高的 碳 化物单 独存在 ， 这 对提 高材料 的 ， 有好 作用 。 由金相可 以 看 出 丧 ， 在贝 氏体 中有小颗粒弥散状 白点 ， 即为钒 和钦 的 碳 化物 。 这 些 硬 质点 在 裂纹 扩展 过和 中有止 裂作 用 。 从 图 也可看 出 ， 当 裂纹扩展 到硬 质点 处时 ， 硬 质点阻 止 了裂 纹的 正常 扩展 ， 以 以 致断 口 没 有 明显 的 疲 劳 条 纹 ， 而是 细碎的 网 状花样 。 在磨 削过 程 中 ， 这 些 小质点也有利 于 分散磨 削应 力 ， 不易产 生磨 削裂 纹 ， 这 样 也相 应提高了材料 的 口 。 ， 二 值 。 通 过 以 上分析 ， 可 以 得出三点结论 。 我 国钒钦 贝 氏体球 铁 是一 种很好 的 新 的 齿轮材料 。 其 优点是 有较高的综 合机械性 能 ， 可 以 和 某些 合金 钢 相 比 有较好 的 加工 性 能 和热处 理 性能 ， 齿形经 粗 加工后 等温淬 火 ， 然后 用 硬 质 合金 刀 具 精切 有很 好 的 经济 效 益 ， 特 别是 在 合理 使 用 能 源 方面 具有很 大 的 优 越 性 。 钒钦 球铁 中铁 素体 和 贝氏体的 比率 芬 兰 铜相 疲 劳 区 图 断 口 形 貌 图 美 国铜铂 快断 区

是一个值得探讨的问题，如能控制适当，还将进一步提高材料的抗弯曲疲劳性能。 (3)在钒钛贝氏体体球铁合金中含有一定量的残余奥氏体，其综合机械性能也将进一 步提高。作者在参加ZQ350减速器攻关的齿轮中，采用了这一类型的球铁，并取得了很好的 效果。 参考文献 〔1〕四川省机械研究设计院、成都科技大学“稀土钒钛球墨铸铁（贝氏体）齿轮材 质”的研究。《球铁》1980年1。 (2)J.E.Bevan,W.G.Scholz "Effects of Molybdenum on Transforma- tion Characteristics and properties of High strength Ductile iron 《AFS Transactions》”VOL851977 〔3)M.Johosson“Austinitic--Baintic Ductile Irons”《AFS Transac- tions》VOL85.1977 〔4)朱幸录：封闭力流式齿轮试验台的静态和动态载荷性能 〔5)《直齿及斜齿圆柱齿轮传动承载能力计算的基本原理》(1978)ISO/TC60/WG6 〔6〕沈水福、范民政、梁骥：“齿轮疲劳极限应力快速测定法”《齿轮》1981年2 〔7〕关焯、房贵如、赵建华：《贝氏体球铁齿轮齿根弯曲疲劳强度的研究》 〔8)“圆柱齿轮和圆锥齿轮承载能力计算”《西德工业标准DIN3990》1970.12. (9)N.E.Forest Metal Fatigue )Oxford Engincering science Series 1974 Test and Reseach about Bending Fatigue Strength of Three Kinds of Baintic Ductile Iron Gears Fan Minzheng Lian Yizhi Liang Ji This article sums up the testing results of bending fatigue strength of three kinds of Baintic ductile iron gears.The testing method is an accelerated test for determining the fatigue strength of gears.For calcnlating the bending fatigue stress ISO/TC60 424E Calculation of tooth strength of spur and helical gears )is adopted. When the number of basic cycles is No=3×lo°，the bending fatigue limit stresses otim(R=0.99)are shown as follows: material oFitn (N/mm2) V-Ti Baintic Ductile Iron 305.7 Cu-Mo Austenitic-Baintic Ductile Iron 242.32 Cu-Mo Martensitic-Baintic Ductile Iron 240.65 The measurements and surfaces where failure occurred are analyzed. 64

是 一个值 得探讨 的 问题 ， 如 能控 制适 当 ， 还 将进一步 提高材料的 抗弯曲疲劳 性能 。 在钒钦 贝 氏体体球铁合金 中含有一 定量的残余奥氏 体 ， 其综 合机械性能也将进一 步 提高 。 作 者在参 加 减速 器攻关的齿轮 中 ， 采 用 了这 一类型 的球铁 ， 并取 得了很好的 效果 。 〔 〕 〕 ， 考 文 献 四川 省机械研究设计院 、 成都科技大学 “ 稀土钒钦球墨铸铁 贝氏体 齿 轮材 质 ” 的研 究 。 球铁 》 年 取 。 ， 。 ‘ 一 五 《 》 ， ‘ 一 《 一 》 朱孝录 封 闭力流式齿轮试 验台的静态 和 动态 载荷性能 《 直 齿 及斜齿圆柱齿 轮传动承载能 力计算的 基本原理 》 沈水福 、 范 民政 、 梁骥 “ 齿轮疲劳极限应 力快速测 定法” 《 齿轮 》 年 砚 关掉 、 房贵如 、 赵建华 《 贝 氏体球铁 齿轮齿根 弯曲疲劳 强度的研究 》 “ 圆柱齿轮和圆 锥齿轮承 载能 力计算 ” 《 西 德工业标准 》 产 沙、、户、护、子‘沙卫几‘ 、 ，沪尹、、 月 《 》 ， 一‘ 。 二 。 。 ‘ 。 一 一 一 一 一