一、轮齿的失效形式
由于齿轮传动是利用轮齿直接接触并传递运动和动力的，因此齿轮传动的失效常发生在齿轮的轮齿上。常见的轮齿失效形式有以下几种：
1.轮齿折断
如图8-22所示，齿轮工作时，轮齿相当于一悬臂梁，在法向压力Fn的作用下，齿根部分弯曲应力最大；轮齿脱离啮合时，齿根弯曲应力为零。所以，轮齿承受的是变化的弯曲应力作用。若轮齿单侧受力，齿根弯曲应力按脉动循环变化；若轮齿双侧受力，齿根弯曲应力按对称循环变化。且轮齿根部应力集中，经过载荷多次重复作用，便产生疲劳裂纹而逐渐扩展，最终导致轮齿疲劳折断。还有一种折断是在短期过载或强烈冲击下发生的突然折断，称为过载折断。用淬火钢或铸铁制成的齿轮，容易发生这种断齿。
图8-22 轮齿折断
轮齿折断一般发生在轮齿根部。
为提高齿轮抗折断的能力，可采用提高材料的疲劳强度和轮齿芯部的韧性、加大齿根圆角半径、提高齿面制造精度、增大模数以加大齿根厚度、进行齿面喷丸处理等方法来实现。
2.齿面点蚀
轮齿在啮合过程中传递载荷时，理论上两齿面是线接触，由于受力而产生弹性变形的原因，实际上是很小的面接触，在轮齿接触表面产生很大的局部应力，称为接触应力。齿轮在长时间接触应力的反复作用下，表层内会形成裂纹，裂纹达到一定深度后以甲壳状的小片剥落，在齿面上形成一个个小麻点，这种现象称为疲劳点蚀。
齿面点蚀一般出现在齿根表面靠近节线处（图8-23）。
抗点蚀能力与齿面硬度有关，齿面硬度越高，抗点蚀能力强，故常采用热处理方法提高齿面硬度。对于润滑良好，软齿面（HBS≤350）的闭式齿轮传动，齿面点蚀是轮齿传动的主要失效形式；在开式传动中，由于齿面磨损较快，点蚀尚未出现或扩展即被磨掉，所以故一般不会发生点蚀破坏。
图8-23 齿面点蚀
3.齿面磨损
一对相啮合齿轮的齿面间，存在着法向压力和相对滑动，因此齿面有磨损，特别是有杂物落入齿间，会加剧磨损。磨损不仅使轮齿失去正确的渐开线齿形，齿厚减小，侧隙增大，传动不平稳，还会使轮齿变薄，严重时引起轮齿折断。
开式传动中，由于灰尘、砂粒、金属屑等，极易进入啮合齿面起到磨粒作用，形成磨粒磨损。磨粒磨损是开式传动的主要失效形式。
采用闭式齿轮传动，保持良好的润滑和维护，提高齿面的硬度和改善粗糙度，都可以减轻齿面的磨损。
4.齿面胶合
高速重载的传动中，由于齿面间的压力过大，啮合区局部温度过高，润滑油黏度降低，失去润滑作用，使齿面接触区熔化并黏结在一起。当齿面互相滑动时，将较软的金属表面沿滑动方向撕下一部分，而形成沟纹，这种现象称为胶合（如图8-24）。出现胶合后，齿面温度升高，齿轮传动的振动、噪声增大，甚至导致轮齿的断裂。胶合是高速齿轮的主要危险。低速重载传动中，由于齿面间的润滑油膜不易形成也可能产生胶合。
图8-24 齿面胶合
采用黏度较大或有添加剂的抗胶合润滑油（如硫化油），加强散热措施，提高齿面硬度和改善粗糙度，尽可能采用不同成分的材料制造配对的齿轮等，都有助于防止齿面的胶合。
5.齿面塑性变形
在低速和过载且启动频繁的齿轮传动中，较软齿面可能产生局部的塑性变形，使齿面失去正确的齿形，而导致轮齿失效。
为减轻或防止轮齿的塑性变形，应尽量提高齿轮硬度。
上面提出的几种轮齿失效形式，本应各自建立相应的计算准则，但胶合、磨损、塑性变形等目前尚无成熟的计算方法，因此通常只能按齿面接触疲劳强度及轮齿弯曲疲劳强度进行条件性计算。
二、齿轮的材料及热处理
通过以上轮齿失效情况的分析，可知：在设计齿轮传动时，应使轮齿的齿面具有较高的抗磨损、抗点蚀、抗胶合的能力；而齿根则要求有较高的抗折断能力。因此理想的齿轮材料性能应是齿面硬，齿芯韧。这些要求应通过适当的热处理方法达到。
常用的齿轮材料是锻钢，其次是铸钢和铸铁，有时也采用塑料制造齿轮。表8-6列出了常用的齿轮材料和热处理后的硬度。
表8-6 常用的齿轮材料和热处理
1.锻钢
锻钢是制造齿轮的主要材料，钢材经过锻造后，改善了内部纤维组织，提高了强度，具有强度高、韧性好、便于制造等优点。所以机械工业中大多数齿轮都是锻钢制造的，并通过适当热处理改善锻钢的机械性能。根据齿面硬度和制造工艺分为两类。
（1）齿面硬度HBS≤350的齿轮，称为软齿面齿轮。对于载荷平稳、无剧烈冲击的传动齿轮，如车床变速箱中的齿轮，常采用优质碳素钢和合金结构钢经正火、调质或表面淬火处理。当齿轮传动无特殊要求，强度与精度要求不高时，采用软齿面齿轮（齿面硬度HBS≤350），这类齿轮的常用材料为中碳钢或中碳合金钢。例如：35、45、40Cr等牌号碳素钢、结构钢经过正火或调质处理，其硬度不高，可在热处理后再切齿，精切时可达7级。
（2）齿面硬度HBS＞350的齿轮，称为硬齿面齿轮。当齿轮传动要求结构紧凑，特别是小齿轮，采用优质碳素钢和合金结构钢经表面淬火处理，或用低碳类钢、低碳合金钢进行渗碳淬火处理得到的，其齿面硬度HBS≥350，改善了接触强度与耐磨性能。而齿的芯部并未淬硬，仍保持了足够的韧性。因为表面硬度提高，所以应在粗切齿后进行热处理，然后再进行精加工，如磨齿、剃齿等，一般齿面精度可达5级或6级。
例如承受较大冲击载荷的齿轮，如汽车、拖拉机变速箱中的齿轮，一般就采用机械强度高、韧性好的低碳合金钢渗碳淬火，如20Cr、20CrMnTi等钢渗碳淬火后齿面硬度可达56～62HRC。通常渗碳淬火后要进行磨齿。
轮齿采用氮化方法也可获得较高的表面硬度，如渗氮钢38CrMoAlA氮化后，齿面硬度可达850HV以上。表面氮化时温度不高，故轮齿变形小，适用于不能磨削的内齿圈。由于硬化层很薄（0.1～0.3mm），其承载能力不及渗碳齿轮，不宜用于承受冲击载荷或有严重磨损的场合。
采用锻纲的齿轮直径不能太大，一般小于500mm。
2.铸钢
当齿轮较大，一般直径大于500mm时，轮坯不便锻造，可采用铸钢齿轮。铸钢的强度与耐磨性均较好，但由于铸钢件在铸造时收缩性大，内应力大，晶粒较粗，所以在加工前应进行正火处理，以消除其内应力及硬度的不均匀。
常用的铸钢材料为ZG45、ZG55等。
3.铸铁
铸铁齿轮的抗弯强度和耐冲击性能较差，但价格低廉，浇铸简单，加工方便。一般用于低速轻载和冲击小的非重要齿轮传动中。由于铸铁性能较脆，为了避免载荷集中造成齿端局部裂断，铸铁齿轮的齿面宽应取得小些。在润滑不良的情况下，灰铸铁本身所含的石墨能起润滑作用，所以在开式齿轮传动中常采用铸铁齿轮。
常用的灰铸铁牌号为HT300、HT350等。
高强度球墨铸铁的机械性能和抗冲击能力比灰铸铁高，可以代替铸钢铸造大尺寸的齿轮坯。
常用的球墨铸铁牌号为QT600—3、QT700—2。
齿轮的材料选择时，大小齿轮都是软齿面时，因为小齿轮的受载次数较大齿轮多，并且小齿轮的齿根厚度较薄，弯曲应力较大，常使小齿轮的齿面硬度比大齿轮的齿面硬度高出30～50HBS以使大小齿轮的工作寿命相接近。大小齿轮都是硬齿面时，小齿轮的齿面硬度应略高，也可和大齿轮相等。
4.非金属材料
对高速、轻载及精度要求不高的齿轮传动，为了减少噪声，可用非金属材料（如尼龙、夹布胶木）做小齿轮，而大齿轮仍用钢或铸铁制造。
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