摘 要:某自动扶梯主驱动链条外链板在运行过程中断裂失效.采用宏观检验、化学成分分析、 硬度测试、非金属夹杂物检验以及金相检验等方法对外链板的断裂原因进行了分析.结果表明:外 链板表面打印字头底部过渡圆角尖锐并存在折叠缺陷,同时部分原材料存在表面脱碳缺陷,导致外 链板打印字头底部过渡圆角处应力集中以及材料表面抗疲劳性能降低;在多重应力的作用下外链 板表面打印字头底部缺陷处萌生疲劳裂纹,裂纹不断扩展最终导致外链板疲劳断裂失效.
关键词:驱动链;外链板;疲劳断裂;折叠;表面脱碳;缺陷;应力集中
中图分类号:TG１１１．９１ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１９)１０Ｇ０７２２Ｇ０３
某自动扶梯主驱动链条在运行过程中外链板发 生断裂.断裂链条型号为１６A 和２０A 双排滚子驱 动链,链板材料为４５Mn钢,链板表面打印字头均采 用冷冲压成型.链条主要应用在设备动力传动上, 如传送驱动、电动扶梯驱动等.驱动链条的作用是 连接主动链轮与从动链轮,主动链轮载荷通过链条 传递到从动链轮上从而驱动设备运行.因此驱动链 条具有固定的传动比及较大的载荷力,对链条的强 度及疲劳性能要求较高.为查明该链条外链板断裂 失效原因,以便采取措施避免类似失效事故的再次 发生,笔者对其进行了检验和分析.
１ 理化检验
１．１ 宏观检验
对外链板进行宏观观察,由图１~４可见,断裂 均位于外链板腰部字头处,断裂部位未见明显塑性 变形.断口呈灰色纤维状,其上有明显的贝纹状疲 劳弧线,瞬断区呈较粗糙的撕裂棱形貌,由此判断外 链板断口为疲劳断口[１],且疲劳裂纹源均位于外链 板表面字头底部.
１．２ 化学成分分析
在断裂外链板一侧取样使用直读光谱仪进行化 学成分分析,结果如表１所示.可见断裂外链板的 化学成分符合 GB/T６９９－２０１５«优质碳素结构钢» 对４５Mn钢成分的要求.
１．３ 硬度测试
在断 裂 外 链 板 孔 部 附 近 取 样,根 据 GB/T ２３０．１－２０１８«金属材料 洛氏硬度试验 第１部分:试 验方法»对试样进行洛氏硬度试验,依次由外链板次 表面检测至心部.由表２可见,１６A 外链板硬度符 合设计要求,２０A 外链板次表面硬度偏低.
１．４ 非金属夹杂物检验
根据 GB/T１０５６１－２００５«钢中非金属夹杂物 含量的测定 标准评级图显微检验法»,在断口附近 取平行于外链板材料轧制方向的试样作为检验面, 经过磨制、抛光后,使用金相显微镜观察外链板材料 中的非金属夹杂物情况.１６A 外链板非金属夹杂物 含量为:A１．０,B１,C０．５,D０．５;２０A 外链板非金属夹 杂物含量为:A１．５,B０．５,C０．５,D０．５.两外链板材料 基体中的非金属夹杂物含量均符合材料验收要求.
１．５ 金相检验
在外链板断口疲劳源附近垂直于打印字头将外 链板剖开,经磨抛后在金相显微镜下观察.１６A 外 链板剖开的两侧均有字头但形状存在差异,A 面为 梯形,B面为圆弧形,如图５和图６所示.１６A 外链 板 A 面梯形字头底部靠近过渡圆角处存在明显的 冷冲压成型时造成的局部折叠,裂纹自折叠处扩展, 而 B 面圆弧形字头底部未见明显裂纹.２０A 外链 板仅一面有字头为梯形,过渡圆角处进行了倒圆处理,但字头底部靠近过渡圆角处同样有裂纹扩展,如 图７所示.
对检验面用４％(体积分数)硝酸酒精溶液浸蚀 后,在金相显微镜下观察.１６A 和２０A 外链板显微 组织均为回火屈氏体＋少量回火索氏体,如图８所 示.２０A 外链板表面存在较严重的脱碳现象,脱碳 层深度约为０．２０mm,外链板孔部未见明显脱碳,说 明表面 脱 碳 在 热 处 理 前 就 已 经 存 在 (为 原 材 料 脱 碳).脱碳部位显微组织为回火屈氏体＋少量沿晶 铁素体,如图９所示.
２ 综合分析
传动链的主要失效形式有以下几种:①链条的 紧边与松边拉应力交变载荷反复作用,经过一定的 循环次数后链板发生疲劳破坏;②链条运行和链轮咬合时产生的振动应力与冲击载荷使链板产生接触 疲劳;③由于润滑不当导致表面胶合,进而使链条铰 链产生磨损;④链条铰链磨损导致链节变长;⑤过载 拉断[２].
由以上理化检验结果分析可知,外链板断裂均 位于链板中部的字头处,宏观表现均为疲劳断裂. 由于１６A 外链板字头底部存在冷冲压成型时造成 的局部折叠缺陷,字头呈梯形且底部过渡圆角未进 行倒圆处理,容易导致应力集中,裂纹由折叠缺陷处 产生并疲劳扩展.２０A 外链板由于原材料表面脱碳 降低了材料表面抗疲劳性能,使用过程中很容易在 表层脱碳处萌生疲劳裂纹[３Ｇ５].
链条在运行过程中紧边和松边拉应力交变载荷 以及振动应力的共同作用下,在外链板表面字头底 部尖角以及加工和材料缺陷(冲压形成的折叠及表 面脱碳)处萌生疲劳裂纹源,裂纹逐渐疲劳扩展最终 断裂失效.此外链板提前失效说明外链板打印字头 的设计及表面缺陷对其疲劳寿命存在明显的影响.
３ 结论及建议
(１)１６A 外链板表面打印字头底部尖角应力集 中以及局部存在折叠缺陷,是导致其提前疲劳断裂 失效的主要原因.建议外链板表面打印字头重新设 计制作,尽量选择圆弧设计.梯形字头过渡圆角处 应进行倒圆处理,消除尖角导致的应力集中现象,并 确保外链板打印字头的表面质量.
(２)２０A 外链板表层脱碳,表面硬度偏低、抗疲 劳性能降低,是导致其提前疲劳断裂失效的次要原 因.建议加强外链板原材料表面脱碳检验,杜绝由 于原材料表面脱碳造成材料表面抗疲劳性能降低.
参考文献:
[１] 钟群鹏,赵子华．断口学[M]．北京:高等教育出版社, ２００６．
[２] 庞兴华．机械设计[M]．北京:电子工业出版社,２０１０．
[３] 吴连生．失效分析技术及其应用 第二讲 断裂分类及 韧、脆断裂的转变[J]．理化检验(物理分册),１９９５,３１ (５):５９Ｇ６１．
[４] 王荣．机械装备的失效分析(续前)第３讲 断口分析 技术(上)[J]．理 化 检 验(物 理 分 册),２０１６,５２(１０): ６９８Ｇ７０４．
[５] 王荣．机械装备的失效分析(续前)第３讲 断口分析 技术(下)[J]．理 化 检 验(物 理 分 册),２０１６,５２(１２): ８３３Ｇ８４０．