鏈條斷裂原因分析

摘 要：壽命期內(nèi)的鏈條在某系統(tǒng)中工作一段時間后發(fā)生斷裂故障。通過對斷裂零件（鏈條銷軸）斷口處進行宏觀和微觀觀察、金相組織檢查、表面質(zhì)量檢查、材質(zhì)檢驗以及潤滑脂檢測等工作，確定了鏈條斷裂的性質(zhì)和原因。分析結果表明，鏈條的斷裂故障為銷軸的疲勞斷裂，斷裂的主要原因是由于銷軸表面存在凹坑和劃痕等原始材料缺陷，加之鏈板（鏈條中的一個受力零件）受力不均和鏈條加工質(zhì)量不穩(wěn)定等因素，最終綜合導致鏈條斷裂。

關鍵詞：鏈條 銷軸 斷裂 疲勞

中圖分類號：V227文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2013）05（c）-0058-03

壽命期內(nèi)的鏈條在某系統(tǒng)中工作一段時間后發(fā)生斷裂故障。此斷裂故障發(fā)生在多個相同系統(tǒng)傳動用鏈條的不同部位，經(jīng)目視檢查多根鏈條多處銷軸斷裂，可以看出斷裂故障是共性問題。銷軸是該系統(tǒng)鏈條的重要組成零件，銷軸的斷裂可以導致系統(tǒng)喪失部分功能，對系統(tǒng)安全造成了極大的危害。

鏈條是由鏈板與外側的導向板、蓋板交替連接，并通過銷軸鉚接而成，鏈條通過鋼索連接，并繞鏈輪進行圓周往復運動。鏈條承受拉伸載荷，主要受力零件是鏈板、軸襯和銷軸。該文通過對斷裂零件（銷軸）斷口處宏觀、微觀檢查、金相組織檢查、表面質(zhì)量檢查、材質(zhì)檢驗以及潤滑脂檢測等工作，確定了鏈條斷裂的性質(zhì)和原因。

1 檢查、試驗過程與結果

本次鏈條斷裂故障是由于銷軸斷裂引起的，銷軸在工作中傳遞縱向載荷，軸襯與銷軸組成鉸鏈副，并與銷軸在運動中有相對轉動。

1.1 宏觀、微觀檢查和斷口分析

多個銷軸斷口宏觀形貌相似，斷口處平坦，斷口附近無明顯塑性變形（圖1、圖2）。有明顯起源于外表面一側的放射棱線，斷口的疲勞弧線特征不明顯。在疲勞擴展的中、后期有典型的疲勞二次裂紋特征，瞬斷區(qū)主要為韌窩特征。在銷軸外緣為沿晶和韌窩的混合斷裂層，銷軸斷口疲勞裂紋深度大于1.6 mm，疲勞區(qū)域面積占整個斷口面積的60%～70%。

被測銷軸疲勞斷口形貌基本一致，均為線狀疲勞源，主要起始于銷軸外表面原始劃痕和凹坑處，疲勞源區(qū)均沒有明顯的腐蝕痕跡，斷口疲勞擴展區(qū)疲勞條紋間距約為0.1μm（圖3、圖4）。

斷口分析表明，鏈條銷軸的斷裂性質(zhì)為單向彎曲疲勞斷裂。

1.2 材質(zhì)檢驗

由于被檢驗銷軸不是全新零件，而鏈條為整件進口產(chǎn)品，國內(nèi)沒有相關數(shù)據(jù)的記載，所以通過化學成分分析（表1）加之綜合國、內(nèi)外相關標準及資料對比，確定鏈條銷軸所采用的材料是15CrV。此材料屬鉻釩鋼組，為低碳合金結構鋼，一般用來制造連接件、軸等零件。

通過光學顯微鏡對銷軸邊緣組織及心部組織進行金相分析（使用4%硝酸酒精腐蝕溶劑），銷軸的邊緣組織及心部組織差異明顯。邊緣組織為細針狀回火馬氏體，心部組織為低碳回火索氏體和小島狀、小顆粒狀的白色鐵素體雙向組織。對比斷裂銷軸和未斷裂銷軸，金相組織沒有差別，邊緣和腐蝕坑均未發(fā)現(xiàn)沿晶裂紋（圖5、圖6）。

通過測量銷軸邊緣和心部顯微硬度，邊緣和心部硬度差別明顯，邊緣硬度為HRC54.3，心部硬度為HRC35～HRC36.5，這說明銷軸表面進行了硬化處理，且測得硬化層深度約為0.2 mm。

1.3 銷軸表面質(zhì)量檢查

對銷軸表面進行檢查和分析，確認銷軸表面進行了磷化處理。磷化膜層較薄，與銷軸晶粒尺寸相當，為10 μm，且膜層多孔、硬度低、不耐磨（圖7）。

通過對斷裂銷軸和未斷裂銷軸顯微組織觀察，銷軸表面均存在大量的周向劃痕、凹坑和少量軸向劃痕。通過對銷軸表面凹坑局部進一步的顯微觀察（圖8），可以發(fā)現(xiàn)有大量密集的凹坑，凹坑表面由小球狀顆粒覆蓋，經(jīng)能普成分分析，為磷化膜成分，所以確認是表面磷化處理的產(chǎn)物。因此，可以判定銷軸表面大小不等的凹坑在磷化處理前已經(jīng)存在，屬于原始材料缺陷，不是使用環(huán)境介質(zhì)作用形成的腐蝕坑。通過對銷軸表面的局部顯微觀察（圖9），銷軸表面存在大量周向劃痕和少量軸向劃痕、碾壓凹坑，同時也存在許多短而粗的平行劃痕。劃痕底部被大量平行的串珠狀小顆粒覆蓋，經(jīng)能普成分分析，為磷化膜成分，所以確認是表面磷化處理的產(chǎn)物。因此，可以判定銷軸表面粗、細不等的劃痕在磷化處理前已經(jīng)存在，屬于原始材料缺陷，不是使用中磨損造成的劃痕。

1.4 潤滑脂檢測

在對斷裂鏈條上殘存潤滑脂進行檢測時發(fā)現(xiàn)有少量氯元素存在，而氯元素又是腐蝕性元素之一，在這種情況下，選取機上使用中的潤滑脂和全新潤滑脂（4個）樣本15個進行防腐蝕性及硫、氯等腐蝕性元素檢測。

對4個全新潤滑脂在銅片腐蝕、防腐蝕性和水份含量項目的檢測結果符合GJB1619-1993《低溫航空潤滑脂規(guī)范》規(guī)定的指標要求；對使用中的潤滑脂通過RIPP62-90法和電量法進行硫、氯含量檢測，結果與全新潤滑脂對比，硫含量增加較多，氯含量無明顯變化。

通過銷軸腐蝕點產(chǎn)生時機分析表明，銷軸腐蝕產(chǎn)生于表面處理之前，腐蝕坑內(nèi)硫、氯含量沒有明顯增加，說明銷軸上的腐蝕與潤滑脂沒有關系。

2 鏈條斷裂原因分析

銷軸表面存在大量原始周向劃痕和凹坑缺陷，是銷軸疲勞斷裂的內(nèi)因。通過銷軸表面檢查顯示，斷裂銷軸表面普遍存在大量原始周向劃痕和凹坑缺陷，這些材料原始的缺陷往往成為自然的疲勞源，斷口分析也確認疲勞直接起源于這些原始的周向劃痕和凹坑。高強度鋼（銷軸表面層硬度高達HRC53～HRC54.3，相當于σb值為180 kg/mm2）疲勞性能對表面粗糙度的狀態(tài)比較敏感，因此銷軸表層的疲勞性能對表面粗糙度非常敏感。斷口分析還表明，疲勞擴展區(qū)存在細密的疲勞條紋，間距約為0.1～0.2 μm，而疲勞區(qū)約占銷軸截面的60%～70%，這說明疲勞裂紋擴展比較充分，加上宏觀斷面平坦、細膩，沒有明顯宏觀疲勞弧線等特征，鏈條已使用較長時間，裂紋均起始于劃痕和凹坑等缺陷處，說明銷軸相對受力較小，但原始缺陷對疲勞性能影響較大。因此，銷軸表面存在大量材料原始的劃痕和凹坑缺陷，是銷軸疲勞斷裂的內(nèi)因。

鏈條鏈板受力不均，是銷軸疲勞斷裂的重要外因。估算表明，在所有鏈板均勻承載的情況下，鏈板和銷軸最大工作應力不應超過材料的疲勞極限，不會發(fā)生疲勞失效；但實際情況是大部分鏈板在不均勻承載的情況下工作，這樣銷軸表面應力明顯增加，當表面大應力區(qū)存在劃痕和凹坑缺陷時，由于缺陷應力集中效應，缺陷處的應力會成倍增加，甚至于高于疲勞極限。實際測量，鏈條鏈板厚度不均勻、表面質(zhì)量差別大、鏈板間間隙不均勻等因素都會導致鏈板承載不均勻和表面的應力增大。

3 結語

（1）鏈條斷裂為銷軸斷裂所致，銷軸斷裂的性質(zhì)為單向彎曲疲勞斷裂；

（2）銷軸表面存在大量的原始材料缺陷是銷軸疲勞斷裂的重要內(nèi)因，鏈條鏈板厚度不均勻、表面質(zhì)量差別大、鏈板間間隙不均勻等因素導致鏈板承載不均勻和表面的應力增大是銷軸疲勞斷裂的重要外因，以上所述的內(nèi)因和外因?qū)冁湕l本身質(zhì)量問題；

（3）鏈條銷軸表面的大量密集劃痕和凹坑為材料原始缺陷，與潤滑脂、系統(tǒng)的工作和維護無關；

（4）疲勞源區(qū)未見腐蝕，所以斷裂與腐蝕無關。

參考文獻

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