摘 要:某自動(dòng)扶梯主驅(qū)動(dòng)鏈條外鏈板在運(yùn)行過程中斷裂失效.采用宏觀檢驗(yàn)、化學(xué)成分分析、 硬度測(cè)試、非金屬夾雜物檢驗(yàn)以及金相檢驗(yàn)等方法對(duì)外鏈板的斷裂原因進(jìn)行了分析.結(jié)果表明:外 鏈板表面打印字頭底部過渡圓角尖銳并存在折疊缺陷,同時(shí)部分原材料存在表面脫碳缺陷,導(dǎo)致外 鏈板打印字頭底部過渡圓角處應(yīng)力集中以及材料表面抗疲勞性能降低;在多重應(yīng)力的作用下外鏈 板表面打印字頭底部缺陷處萌生疲勞裂紋,裂紋不斷擴(kuò)展最終導(dǎo)致外鏈板疲勞斷裂失效. 

關(guān)鍵詞:驅(qū)動(dòng)鏈;外鏈板;疲勞斷裂;折疊;表面脫碳;缺陷;應(yīng)力集中 

中圖分類號(hào):TG１１１．９１ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):１００１Ｇ４０１２(２０１９)１０Ｇ０７２２Ｇ０３

某自動(dòng)扶梯主驅(qū)動(dòng)鏈條在運(yùn)行過程中外鏈板發(fā) 生斷裂.斷裂鏈條型號(hào)為１６A 和２０A 雙排滾子驅(qū) 動(dòng)鏈,鏈板材料為４５Mn鋼,鏈板表面打印字頭均采 用冷沖壓成型.鏈條主要應(yīng)用在設(shè)備動(dòng)力傳動(dòng)上, 如傳送驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)扶梯驅(qū)動(dòng)等.驅(qū)動(dòng)鏈條的作用是 連接主動(dòng)鏈輪與從動(dòng)鏈輪,主動(dòng)鏈輪載荷通過鏈條 傳遞到從動(dòng)鏈輪上從而驅(qū)動(dòng)設(shè)備運(yùn)行.因此驅(qū)動(dòng)鏈 條具有固定的傳動(dòng)比及較大的載荷力,對(duì)鏈條的強(qiáng) 度及疲勞性能要求較高.為查明該鏈條外鏈板斷裂 失效原因,以便采取措施避免類似失效事故的再次 發(fā)生,筆者對(duì)其進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析.

１ 理化檢驗(yàn) 

１．１ 宏觀檢驗(yàn) 

對(duì)外鏈板進(jìn)行宏觀觀察,由圖１~４可見,斷裂 均位于外鏈板腰部字頭處,斷裂部位未見明顯塑性 變形.斷口呈灰色纖維狀,其上有明顯的貝紋狀疲 勞弧線,瞬斷區(qū)呈較粗糙的撕裂棱形貌,由此判斷外 鏈板斷口為疲勞斷口[１],且疲勞裂紋源均位于外鏈 板表面字頭底部.

１．２ 化學(xué)成分分析 

在斷裂外鏈板一側(cè)取樣使用直讀光譜儀進(jìn)行化 學(xué)成分分析,結(jié)果如表１所示.可見斷裂外鏈板的 化學(xué)成分符合 GB/T６９９－２０１５«優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼» 對(duì)４５Mn鋼成分的要求.

１．３ 硬度測(cè)試 

在斷 裂 外 鏈 板 孔 部 附 近 取 樣,根 據(jù) GB/T ２３０．１－２０１８«金屬材料 洛氏硬度試驗(yàn) 第１部分:試 驗(yàn)方法»對(duì)試樣進(jìn)行洛氏硬度試驗(yàn),依次由外鏈板次 表面檢測(cè)至心部.由表２可見,１６A 外鏈板硬度符 合設(shè)計(jì)要求,２０A 外鏈板次表面硬度偏低.

１．４ 非金屬夾雜物檢驗(yàn) 

根據(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»,在斷口附近 取平行于外鏈板材料軋制方向的試樣作為檢驗(yàn)面, 經(jīng)過磨制、拋光后,使用金相顯微鏡觀察外鏈板材料 中的非金屬夾雜物情況.１６A 外鏈板非金屬夾雜物 含量為:A１．０,B１,C０．５,D０．５;２０A 外鏈板非金屬夾 雜物含量為:A１．５,B０．５,C０．５,D０．５.兩外鏈板材料 基體中的非金屬夾雜物含量均符合材料驗(yàn)收要求.

１．５ 金相檢驗(yàn)

在外鏈板斷口疲勞源附近垂直于打印字頭將外 鏈板剖開,經(jīng)磨拋后在金相顯微鏡下觀察.１６A 外 鏈板剖開的兩側(cè)均有字頭但形狀存在差異,A 面為 梯形,B面為圓弧形,如圖５和圖６所示.１６A 外鏈 板 A 面梯形字頭底部靠近過渡圓角處存在明顯的 冷沖壓成型時(shí)造成的局部折疊,裂紋自折疊處擴(kuò)展, 而 B 面圓弧形字頭底部未見明顯裂紋.２０A 外鏈 板僅一面有字頭為梯形,過渡圓角處進(jìn)行了倒圓處理,但字頭底部靠近過渡圓角處同樣有裂紋擴(kuò)展,如 圖７所示.

對(duì)檢驗(yàn)面用４％(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液浸蝕 后,在金相顯微鏡下觀察.１６A 和２０A 外鏈板顯微 組織均為回火屈氏體＋少量回火索氏體,如圖８所 示.２０A 外鏈板表面存在較嚴(yán)重的脫碳現(xiàn)象,脫碳 層深度約為０．２０mm,外鏈板孔部未見明顯脫碳,說 明表面 脫 碳 在 熱 處 理 前 就 已 經(jīng) 存 在 (為 原 材 料 脫 碳).脫碳部位顯微組織為回火屈氏體＋少量沿晶 鐵素體,如圖９所示.

２ 綜合分析 

傳動(dòng)鏈的主要失效形式有以下幾種:①鏈條的 緊邊與松邊拉應(yīng)力交變載荷反復(fù)作用,經(jīng)過一定的 循環(huán)次數(shù)后鏈板發(fā)生疲勞破壞;②鏈條運(yùn)行和鏈輪咬合時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)應(yīng)力與沖擊載荷使鏈板產(chǎn)生接觸 疲勞;③由于潤(rùn)滑不當(dāng)導(dǎo)致表面膠合,進(jìn)而使鏈條鉸 鏈產(chǎn)生磨損;④鏈條鉸鏈磨損導(dǎo)致鏈節(jié)變長(zhǎng);⑤過載 拉斷[２]. 

由以上理化檢驗(yàn)結(jié)果分析可知,外鏈板斷裂均 位于鏈板中部的字頭處,宏觀表現(xiàn)均為疲勞斷裂. 由于１６A 外鏈板字頭底部存在冷沖壓成型時(shí)造成 的局部折疊缺陷,字頭呈梯形且底部過渡圓角未進(jìn) 行倒圓處理,容易導(dǎo)致應(yīng)力集中,裂紋由折疊缺陷處 產(chǎn)生并疲勞擴(kuò)展.２０A 外鏈板由于原材料表面脫碳 降低了材料表面抗疲勞性能,使用過程中很容易在 表層脫碳處萌生疲勞裂紋[３Ｇ５]. 

鏈條在運(yùn)行過程中緊邊和松邊拉應(yīng)力交變載荷 以及振動(dòng)應(yīng)力的共同作用下,在外鏈板表面字頭底 部尖角以及加工和材料缺陷(沖壓形成的折疊及表 面脫碳)處萌生疲勞裂紋源,裂紋逐漸疲勞擴(kuò)展最終 斷裂失效.此外鏈板提前失效說明外鏈板打印字頭 的設(shè)計(jì)及表面缺陷對(duì)其疲勞壽命存在明顯的影響.

３ 結(jié)論及建議

(１)１６A 外鏈板表面打印字頭底部尖角應(yīng)力集 中以及局部存在折疊缺陷,是導(dǎo)致其提前疲勞斷裂 失效的主要原因.建議外鏈板表面打印字頭重新設(shè) 計(jì)制作,盡量選擇圓弧設(shè)計(jì).梯形字頭過渡圓角處 應(yīng)進(jìn)行倒圓處理,消除尖角導(dǎo)致的應(yīng)力集中現(xiàn)象,并 確保外鏈板打印字頭的表面質(zhì)量. 

(２)２０A 外鏈板表層脫碳,表面硬度偏低、抗疲 勞性能降低,是導(dǎo)致其提前疲勞斷裂失效的次要原 因.建議加強(qiáng)外鏈板原材料表面脫碳檢驗(yàn),杜絕由 于原材料表面脫碳造成材料表面抗疲勞性能降低.

參考文獻(xiàn): 

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<文章來源  >材料與測(cè)試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗(yàn)－物理分冊(cè) > 55卷 > 10期 (pp:722-724)>