礦用圓環(huán)鏈疲勞斷裂失效分析

■劉崢

我廠生產(chǎn)的配件礦用圓環(huán)鏈，材料為23MnNiMoCr54鋼，也稱防腐54鋼，屬低碳低合金鋼，是圓環(huán)鏈生產(chǎn)專用鋼，它不僅具有較高的強(qiáng)度，還具有良好的韌性和塑性。礦用圓環(huán)鏈出廠前要進(jìn)行拉-拉疲勞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不同批次產(chǎn)品的試驗(yàn)數(shù)據(jù)相差較大，質(zhì)量的波動(dòng)嚴(yán)重影響了正常生產(chǎn)。在拉-拉疲勞試驗(yàn)中，拉力范圍180～903kN，試樣1在拉-拉交變載荷作用下經(jīng)116380次后肩部斷裂，試樣2在拉-拉交變載荷作用下經(jīng)65770次后熱影響區(qū)斷裂，兩試樣的熱處理工藝均為880℃淬火+440℃回火。本文對(duì)斷裂試樣從斷口形貌、顯微組織、斷裂位置等方面進(jìn)行了失效分析。

1.斷口形貌及斷裂部位表面狀況分析

由圖1a和圖2a可以看出，斷口都呈現(xiàn)明顯四個(gè)區(qū)：裂紋源、亞穩(wěn)擴(kuò)展區(qū)、加速擴(kuò)展區(qū)、瞬間斷裂區(qū)。

由圖1b可以明顯看出，裂紋源出現(xiàn)在環(huán)鏈內(nèi)側(cè)，壓痕邊緣，塑性變形與未塑性變形的交界處，并以此為出發(fā)點(diǎn)向內(nèi)擴(kuò)展出一個(gè)圓形亞穩(wěn)擴(kuò)展區(qū)。擴(kuò)展初期的擴(kuò)展紋十分明顯，說明裂紋源只有一個(gè)且十分集中，就在斷面與變形交界線的交叉點(diǎn)上。擴(kuò)展紋細(xì)而清晰，無明顯凹陷，說明裂紋源的出現(xiàn)原因較單一，應(yīng)屬正常。宏觀判斷此裂紋源是由于試驗(yàn)中環(huán)鏈之間的壓應(yīng)力使鏈環(huán)肩部接觸處產(chǎn)生塑性變形，變形區(qū)與未變形區(qū)交界處是最大應(yīng)力所在位置，如果在此區(qū)域有微觀薄弱區(qū)必然會(huì)在此處生成裂紋。

由圖2a可見試樣2的裂紋源區(qū)不是一個(gè)點(diǎn)，而是一條線，擴(kuò)展紋從此區(qū)發(fā)射出去，反向延長線并未集中到一個(gè)點(diǎn)，從而使得亞穩(wěn)擴(kuò)展區(qū)不是一個(gè)圓而是一個(gè)“圓缺”。 與試樣1相比，試樣2的四個(gè)區(qū)幾乎在一個(gè)平面內(nèi)，各區(qū)平面間的夾角很小，而試樣1擴(kuò)展區(qū)與瞬時(shí)斷裂區(qū)呈很大的夾角。由圖2b可見試樣2裂紋源區(qū)對(duì)應(yīng)的表面有明顯的凹凸和較深拉痕。直線裂紋源的一個(gè)端點(diǎn)正好起源于表面凹凸處。在直線裂紋源對(duì)應(yīng)的表面發(fā)現(xiàn)有一內(nèi)向20°左右的斜坡，其表面有氧化色，表面形態(tài)與外表面接近，估計(jì)此處是軋制夾皮，因此在此處產(chǎn)生了早期疲勞裂紋源。

圖1 試樣1

圖2 試樣2

2.金相分析

在斷口附近取樣作金相分析，經(jīng)4%硝酸酒精侵蝕。試樣1的金相組織如圖3a所示，金相組織為回火托氏體。如圖3b所示，表明有雜質(zhì)存在。雜質(zhì)物或第二相粒子會(huì)促進(jìn)微裂紋的生成。

試樣2的金相組織如圖4a所示，與試樣1無明顯差別，說明熱處理不是影響兩試樣壽命長短的主要因素。從圖4b可看出試樣2中也有少量雜質(zhì)出現(xiàn)。

3.硬度分析

經(jīng)硬度計(jì)測(cè)得：肩部硬度為38.1HRC，熱影響區(qū)硬度為37.1HRC，如附表所示。

所測(cè)硬度基本符合中頻感應(yīng)加熱回火后的硬度值，從而可推測(cè)出硬度與壽命長短沒有明顯聯(lián)系。

4.掃描電鏡分析

圖5a是試樣1裂紋源照片，可見明顯白色脆性斷裂帶，從表面伸向內(nèi)部，圖5b是其放大圖。此斷裂帶正對(duì)應(yīng)圓環(huán)鏈塑性變形硬化區(qū)的邊緣，此處因變形無法向外擴(kuò)展，應(yīng)力集中不能松弛，形成最大應(yīng)力區(qū)。

圖6a表明在其不遠(yuǎn)處，塑性變形最大應(yīng)力區(qū)內(nèi)近表面處有大塊夾雜物。

圖6b為夾雜物群放大，其為非金屬夾雜。圖像表明試樣在長期試驗(yàn)過程中積累了較大塑性變形，在變形最不均勻的局部區(qū)域，塑變區(qū)與非塑變區(qū)的交界處，形變硬化區(qū)與非形變硬化區(qū)的交界處，即應(yīng)力最大的部位，又有夾雜物群的弱化，因此產(chǎn)生疲勞裂紋區(qū)源。

5.斷裂位置分析

圖3 試樣1

圖4 試樣2

圖5 試樣1

圖6

圖7 試樣斷裂位置示意

試樣硬度值 （HRC）

如圖7所示為斷裂位置。試樣1的斷裂部位是肩部，肩部為圓環(huán)鏈疲勞載荷時(shí)的應(yīng)力集中處，為圓環(huán)鏈的薄弱環(huán)節(jié)，屬正常斷裂。試樣2斷裂位置是焊縫熱影響區(qū)。鏈環(huán)經(jīng)閃光對(duì)焊后，焊縫及熱影響區(qū)形成粗大晶粒，雖經(jīng)淬火加熱改善，仍不及鏈環(huán)的基體，而在焊接過程中還可能造成輕微燒傷、錯(cuò)口等缺陷，易產(chǎn)生應(yīng)力集中及裂紋，其是影響鏈條性能的薄弱環(huán)節(jié)。

6.結(jié)語

（1）試樣1從肩部斷裂，此處正是圓環(huán)鏈的危險(xiǎn)截面，試樣2從直臂處斷裂，此處不是危險(xiǎn)截面。

（2）試樣1的裂紋源產(chǎn)生于肩部內(nèi)側(cè)塑性變形區(qū)邊緣最大應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)屬正常位置；試樣2的裂紋源產(chǎn)生于表面拉痕及夾皮處，由表面缺陷引起，屬不正常位置。

（3）掃描電鏡顯示兩試樣裂紋源處均有夾雜物存在，其對(duì)裂紋源的產(chǎn)生起了重大作用，但并非兩試樣具有較大的壽命差距的主要因素。

（4）由以上三條可推斷試樣1的裂紋源出現(xiàn)較晚，呈點(diǎn)狀，其初始擴(kuò)展范圍較小；試樣2的裂紋源出現(xiàn)較早或本身就存在裂紋（夾皮或拉痕處在淬火時(shí)形成），裂紋源較長，其初始擴(kuò)展范圍較大。兩者的區(qū)別造成試樣1的疲勞壽命遠(yuǎn)高于試樣2。

（5）為提高圓環(huán)鏈的疲勞強(qiáng)度，可采取以下措施：①提高表面強(qiáng)度，增加表面殘余壓應(yīng)力，可采用表面噴丸處理。②注意表面加工質(zhì)量，切毛刺時(shí)防止產(chǎn)生過深的拉痕。

20150226