链条断裂原因分析

摘 要：寿命期内的链条在某系统中工作一段时间后发生断裂故障。通过对断裂零件（链条销轴）断口处进行宏观和微观观察、金相组织检查、表面质量检查、材质检验以及脂检测等工作，确定了链条断裂的性质和原因。分析结果表明，链条的断裂故障为销轴的疲劳断裂，断裂的主要原因是由于销轴表面存在凹坑和划痕等原始材料缺陷，加之链板（链条中的一个受力零件）受力不均和链条加工质量不稳定等因素，最终综合导致链条断裂。

关键词：链条 销轴 断裂 疲劳

中图分类号：V227 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）05（c）-0058-03

寿命期内的链条在某系统中工作一段时间后发生断裂故障。此断裂故障发生在多个相同系统传动用链条的不同部位，经目视检查多根链条多处销轴断裂，可以看出断裂故障是共性问题。销轴是该系统链条的重要组成零件，销轴的断裂可以导致系统丧失部分功能，对系统安全造成了极大的危害。

链条是由链板与外侧的导向板、盖板交替连接，并通过销轴铆接而成，链条通过钢索连接，并绕链轮进行圆周往复运动。链条承受拉伸载荷，主要受力零件是链板、轴衬和销轴。该文通过对断裂零件（销轴）断口处宏观、微观检查、金相组织检查、表面质量检查、材质检验以及脂检测等工作，确定了链条断裂的性质和原因。

1 检查、试验过程与结果

本次链条断裂故障是由于销轴断裂引起的，销轴在工作中传递纵向载荷，轴衬与销轴组成铰链副，并与销轴在运动中有相对转动。

1.1 宏观、微观检查和断口分析

多个销轴断口宏观形貌相似，断口处平坦，断口附近无明显塑性变形（图1、图2）。有明显起源于外表面一侧的放射棱线，断口的疲劳弧线特征不明显。在疲劳扩展的中、后期有典型的疲劳二次裂纹特征，瞬断区主要为韧窝特征。在销轴外缘为沿晶和韧窝的混合断裂层，销轴断口疲劳裂纹深度大于1.6 mm，疲劳区域面积占整个断口面积的60%～70%。

被测销轴疲劳断口形貌基本一致，均为线状疲劳源，主要起始于销轴外表面原始划痕和凹坑处，疲劳源区均没有明显的腐蚀痕迹，断口疲劳扩展区疲劳条纹间距约为0.1μm（图3、图4）。

断口分析表明，链条销轴的断裂性质为单向弯曲疲劳断裂。

1.2 材质检验

由于被检验销轴不是全新零件，而链条为整件进口产品，国内没有相关数据的记载，所以通过化学成分分析（表1）加之综合国、内外相关标准及资料对比，确定链条销轴所采用的材料是15CrV。此材料属铬钒钢组，为低碳合金结构钢，一般用来制造连接件、轴等零件。

通过光学显微镜对销轴边缘组织及心部组织进行金相分析（使用4%硝酸酒精腐蚀溶剂），销轴的边缘组织及心部组织差异明显。边缘组织为细针状回火马氏体，心部组织为低碳回火索氏体和小岛状、小颗粒状的白色铁素体双向组织。对比断裂销轴和未断裂销轴，金相组织没有差别，边缘和腐蚀坑均未发现沿晶裂纹（图5、图6）。

通过测量销轴边缘和心部显微硬度，边缘和心部硬度差别明显，边缘硬度为HRC54.3，心部硬度为HRC35～HRC36.5，这说明销轴表面进行了硬化处理，且测得硬化层深度约为0.2 mm。

1.3 销轴表面质量检查

对销轴表面进行检查和分析，确认销轴表面进行了磷化处理。磷化膜层较薄，与销轴晶粒尺寸相当，为10 μm，且膜层多孔、硬度低、不耐磨（图7）。

通过对断裂销轴和未断裂销轴显微组织观察，销轴表面均存在大量的周向划痕、凹坑和少量轴向划痕。通过对销轴表面凹坑局部进一步的显微观察（图8），可以发现有大量密集的凹坑，凹坑表面由小球状颗粒覆盖，经能普成分分析，为磷化膜成分，所以确认是表面磷化处理的产物。因此，可以判定销轴表面大小不等的凹坑在磷化处理前已经存在，属于原始材料缺陷，不是使用环境介质作用形成的腐蚀坑。通过对销轴表面的局部显微观察（图9），销轴表面存在大量周向划痕和少量轴向划痕、碾压凹坑，同时也存在许多短而粗的平行划痕。划痕底部被大量平行的串珠状小颗粒覆盖，经能普成分分析，为磷化膜成分，所以确认是表面磷化处理的产物。因此，可以判定销轴表面粗、细不等的划痕在磷化处理前已经存在，属于原始材料缺陷，不是使用中磨损造成的划痕。

1.4 脂检测

在对断裂链条上残存脂进行检测时发现有少量氯元素存在，而氯元素又是腐蚀性元素之一，在这种情况下，选取机上使用中的脂和全新脂（4个）样本15个进行防腐蚀性及硫、氯等腐蚀性元素检测。

对4个全新脂在铜片腐蚀、防腐蚀性和水份含量项目的检测结果符合GJB1619-1993《低温航空脂规范》规定的指标要求；对使用中的脂通过RIPP62-90法和电量法进行硫、氯含量检测，结果与全新脂对比，硫含量增加较多，氯含量无明显变化。

通过销轴腐蚀点产生时机分析表明，销轴腐蚀产生于表面处理之前，腐蚀坑内硫、氯含量没有明显增加，说明销轴上的腐蚀与脂没有关系。

2 链条断裂原因分析

销轴表面存在大量原始周向划痕和凹坑缺陷，是销轴疲劳断裂的内因。通过销轴表面检查显示，断裂销轴表面普遍存在大量原始周向划痕和凹坑缺陷，这些材料原始的缺陷往往成为自然的疲劳源，断口分析也确认疲劳直接起源于这些原始的周向划痕和凹坑。高强度钢（销轴表面层硬度高达HRC53～HRC54.3，相当于σb值为180 kg/mm2）疲劳性能对表面粗糙度的状态比较敏感，因此销轴表层的疲劳性能对表面粗糙度非常敏感。断口分析还表明，疲劳扩展区存在细密的疲劳条纹，间距约为0.1～0.2 μm，而疲劳区约占销轴截面的60%～70%，这说明疲劳裂纹扩展比较充分，加上宏观断面平坦、细腻，没有明显宏观疲劳弧线等特征，链条已使用较长时间，裂纹均起始于划痕和凹坑等缺陷处，说明销轴相对受力较小，但原始缺陷对疲劳性能影响较大。因此，销轴表面存在大量材料原始的划痕和凹坑缺陷，是销轴疲劳断裂的内因。

链条链板受力不均，是销轴疲劳断裂的重要外因。估算表明，在所有链板均匀承载的情况下，链板和销轴最大工作应力不应超过材料的疲劳极限，不会发生疲劳失效；但实际情况是大部分链板在不均匀承载的情况下工作，这样销轴表面应力明显增加，当表面大应力区存在划痕和凹坑缺陷时，由于缺陷应力集中效应，缺陷处的应力会成倍增加，甚至于高于疲劳极限。实际测量，链条链板厚度不均匀、表面质量差别大、链板间间隙不均匀等因素都会导致链板承载不均匀和表面的应力增大。

3 结语

（1）链条断裂为销轴断裂所致，销轴断裂的性质为单向弯曲疲劳断裂；

（2）销轴表面存在大量的原始材料缺陷是销轴疲劳断裂的重要内因，链条链板厚度不均匀、表面质量差别大、链板间间隙不均匀等因素导致链板承载不均匀和表面的应力增大是销轴疲劳断裂的重要外因，以上所述的内因和外因属链条本身质量问题；

（3）链条销轴表面的大量密集划痕和凹坑为材料原始缺陷，与脂、系统的工作和维护无关；

（4）疲劳源区未见腐蚀，所以断裂与腐蚀无关。

参考文献

[1] 邓日红.美国金属学会.金属手册[M].北京：机械工业出版社，1985.

[2] 刘昌奎，臧金鑫，张兵.30CrMnSiA螺栓断裂原因分析[J].失效分析与预防，2008，3（2）：42-43.

[3] 褚武扬，乔利杰，陈奇志，等.断裂与环境断裂[M].北京：科学出版社，2000.