摘 要:某自動扶梯主驅動鏈條外鏈板在運行過程中斷裂失效.采用宏觀檢驗、化學成分分析、 硬度測試、非金屬夾雜物檢驗以及金相檢驗等方法對外鏈板的斷裂原因進行了分析.結果表明:外 鏈板表面打印字頭底部過渡圓角尖銳并存在折疊缺陷,同時部分原材料存在表面脫碳缺陷,導致外 鏈板打印字頭底部過渡圓角處應力集中以及材料表面抗疲勞性能降低;在多重應力的作用下外鏈 板表面打印字頭底部缺陷處萌生疲勞裂紋,裂紋不斷擴展最終導致外鏈板疲勞斷裂失效.
關鍵詞:驅動鏈;外鏈板;疲勞斷裂;折疊;表面脫碳;缺陷;應力集中
中圖分類號:TG１１１．９１ 文獻標志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１９)１０Ｇ０７２２Ｇ０３
某自動扶梯主驅動鏈條在運行過程中外鏈板發(fā) 生斷裂.斷裂鏈條型號為１６A 和２０A 雙排滾子驅 動鏈,鏈板材料為４５Mn鋼,鏈板表面打印字頭均采 用冷沖壓成型.鏈條主要應用在設備動力傳動上, 如傳送驅動、電動扶梯驅動等.驅動鏈條的作用是 連接主動鏈輪與從動鏈輪,主動鏈輪載荷通過鏈條 傳遞到從動鏈輪上從而驅動設備運行.因此驅動鏈 條具有固定的傳動比及較大的載荷力,對鏈條的強 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,筆者對其進行了檢驗和分析.
１ 理化檢驗
１．１ 宏觀檢驗
對外鏈板進行宏觀觀察,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 化學成分分析
在斷裂外鏈板一側取樣使用直讀光譜儀進行化 學成分分析,結果如表１所示.可見斷裂外鏈板的 化學成分符合 GB/T６９９－２０１５«優(yōu)質碳素結構鋼» 對４５Mn鋼成分的要求.
１．３ 硬度測試
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 第１部分:試 驗方法»對試樣進行洛氏硬度試驗,依次由外鏈板次 表面檢測至心部.由表２可見,１６A 外鏈板硬度符 合設計要求,２０A 外鏈板次表面硬度偏低.
１．４ 非金屬夾雜物檢驗
根據(jù) GB/T１０５６１－２００５«鋼中非金屬夾雜物 含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法»,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面, 經過磨制、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收要求.
１．５ 金相檢驗
在外鏈板斷口疲勞源附近垂直于打印字頭將外 鏈板剖開,經磨拋后在金相顯微鏡下觀察.１６A 外 鏈板剖開的兩側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 冷沖壓成型時造成的局部折疊,裂紋自折疊處擴展, 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,過渡圓角處進行了倒圓處理,但字頭底部靠近過渡圓角處同樣有裂紋擴展,如 圖７所示.
對檢驗面用４％(體積分數(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 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
傳動鏈的主要失效形式有以下幾種:①鏈條的 緊邊與松邊拉應力交變載荷反復作用,經過一定的 循環(huán)次數(shù)后鏈板發(fā)生疲勞破壞;②鏈條運行和鏈輪咬合時產生的振動應力與沖擊載荷使鏈板產生接觸 疲勞;③由于潤滑不當導致表面膠合,進而使鏈條鉸 鏈產生磨損;④鏈條鉸鏈磨損導致鏈節(jié)變長;⑤過載 拉斷[２].
由以上理化檢驗結果分析可知,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造成 的局部折疊缺陷,字頭呈梯形且底部過渡圓角未進 行倒圓處理,容易導致應力集中,裂紋由折疊缺陷處 產生并疲勞擴展.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].
鏈條在運行過程中緊邊和松邊拉應力交變載荷 以及振動應力的共同作用下,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 的設計及表面缺陷對其疲勞壽命存在明顯的影響.
３ 結論及建議
(１)１６A 外鏈板表面打印字頭底部尖角應力集 中以及局部存在折疊缺陷,是導致其提前疲勞斷裂 失效的主要原因.建議外鏈板表面打印字頭重新設 計制作,盡量選擇圓弧設計.梯形字頭過渡圓角處 應進行倒圓處理,消除尖角導致的應力集中現(xiàn)象,并 確保外鏈板打印字頭的表面質量.
(２)２０A 外鏈板表層脫碳,表面硬度偏低、抗疲 勞性能降低,是導致其提前疲勞斷裂失效的次要原 因.建議加強外鏈板原材料表面脫碳檢驗,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:
[１] 鐘群鵬,趙子華．斷口學[M]．北京:高等教育出版社, ２００６．
[２] 龐興華．機械設計[M]．北京:電子工業(yè)出版社,２０１０．
[３] 吳連生．失效分析技術及其應用 第二講 斷裂分類及 韌、脆斷裂的轉變[J]．理化檢驗(物理分冊),１９９５,３１ (５):５９Ｇ６１．
[４] 王榮．機械裝備的失效分析(續(xù)前)第３講 斷口分析 技術(上)[J]．理 化 檢 驗(物 理 分 冊),２０１６,５２(１０): ６９８Ｇ７０４．
[５] 王榮．機械裝備的失效分析(續(xù)前)第３講 斷口分析 技術(下)[J]．理 化 檢 驗(物 理 分 冊),２０１６,５２(１２): ８３３Ｇ８４０．