鏈條是火力發(fā)電機組撈渣機的重要組成部件，其質(zhì)量對于火力發(fā)電機組的安全運行具有重要意義[1-3]。撈渣機上使用的鏈條長期在高載荷環(huán)境下運行，鏈環(huán)之間會出現(xiàn)長時間摩擦磨損，因此要求其具有較好的抗拉性能和耐磨性能，材料內(nèi)部不允許存在微裂紋，且通常要對鏈條進行表面滲碳處理[4-6]。某機組撈渣機鏈條發(fā)生斷裂事故，供貨技術(shù)協(xié)議中規(guī)定撈渣機鏈條的材料為CrNiMo合金鋼，鏈條表面經(jīng)過滲碳處理，滲碳層深度大于3.4 mm，表面硬度不低于800 HV。筆者采用一系列理化檢驗方法對該撈渣機鏈條斷裂的原因進行分析，以避免該類問題再次發(fā)生。 

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

斷裂撈渣機鏈條的宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：鏈條側(cè)面有多處輕微刮擦痕跡；鏈條連接部分磨損嚴(yán)重處表面減薄約3~4 mm，斷裂位置并不在磨損較為嚴(yán)重的地方；鏈條有兩處斷口，分別編號為斷口1和斷口2，斷口1表面與鏈條軸向近似垂直，斷面粗糙，呈暗黑色，斷口較平齊，無明顯頸縮現(xiàn)象，呈放射狀，裂紋源位于鏈條外側(cè)表面，裂紋源附近有明顯的碰撞痕跡；斷口2起裂于鏈條內(nèi)側(cè)表面，斷面與軸線約呈45°，裂紋源區(qū)較平整光滑，顏色發(fā)黑，裂紋擴展區(qū)域有黃色銹跡，面積較大，裂紋源區(qū)有少量疲勞弧線，裂紋呈放射狀擴展，瞬斷區(qū)呈光亮金屬色，可見剪切唇；除斷口部位外，在鏈條外側(cè)表面還存在多條橫向裂紋，與斷口1開裂方向一致，橫向裂紋擴展至橫截面外周1/2處。 

圖  1  斷裂鏈條的宏觀形貌

1.2   化學(xué)成分分析

采用合金分析儀對撈渣機鏈條的化學(xué)成分進行分析，結(jié)果如表1所示。由表1可知：材料的碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)略低于供貨要求，其他化學(xué)成分符合供貨要求。因此可以排除材料選擇不當(dāng)導(dǎo)致?lián)圃鼨C鏈條斷裂的情況。 

1.3   滲碳層深度測試

在未斷裂鏈條和斷裂鏈條上取樣，取樣位置如圖2所示。 

圖  2  未斷裂鏈條和斷裂鏈條的取樣位置示意

將試樣1~4進行機械磨拋后，利用4%（體積分?jǐn)?shù)）硝酸乙醇溶液腐蝕鏈條橫截面，利用光學(xué)顯微鏡觀察試樣的滲碳層，結(jié)果發(fā)現(xiàn)試樣1~4滲碳層周向深度一致，較均勻，試樣1~3的平均滲碳層深度約為2.3 mm，試樣4的滲碳層深度約為2.8 mm，低于技術(shù)協(xié)議的規(guī)定（3.4 mm）。 

在斷裂鏈條橫截面上取樣，采用顯微維氏硬度計對試樣進行硬度測試，加載力為9.8 N，硬度點間距為100~200 μm，硬度分布如圖3所示。由圖3可知：滲碳層硬度高于800 HV處的深度約為1.2 mm，小于技術(shù)協(xié)議的規(guī)定（3.4 mm）。 

圖  3  斷裂鏈條的硬度分布

1.4   金相檢驗

沿斷裂鏈條中橫向裂紋縱向剖開并截取試樣，將試樣置于光學(xué)顯微鏡下觀察，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：裂紋由外表面向基體沿直線擴展，且與軸向垂直，主裂紋最深約為4.3 mm，主裂紋兩側(cè)存在一些分叉的小裂紋，這些小裂紋主要集中在滲碳層附近。 

圖  4  斷裂鏈條橫向裂紋的微觀形貌

試樣2橫截面的顯微組織形貌如圖5所示。由圖5可知：鏈條表面滲碳層組織為針狀馬氏體，滲碳層過渡區(qū)組織為針狀馬氏體+板條馬氏體，基體組織為回火索氏體。 

圖  5  試樣2橫截面顯微組織形貌

試樣1縱截面的顯微組織形貌如圖6所示。由圖6可知：鏈條表面滲碳層組織為針狀馬氏體，滲碳層過渡區(qū)為針狀馬氏體+板條馬氏體+少量鐵素體，基體組織為回火索氏體+少量鐵素體。 

圖  6  試樣1縱截面的顯微組織形貌

2.   綜合分析

由上述理化檢驗結(jié)果可知，斷裂鏈條外側(cè)表面有較多橫向裂紋，大多數(shù)裂紋起裂于外側(cè)表面，擴展長度約占軸向的1/2，而內(nèi)側(cè)表面未見裂紋，斷口1開裂方向與外側(cè)表面裂紋擴展趨勢一致。斷口1表面為致密的黑色氧化膜，斷口2裂紋源區(qū)表面呈黑色，裂紋擴展區(qū)域有黃色銹跡，面積較大，瞬斷區(qū)呈光亮的金屬色，表明斷口1暴露在空氣和環(huán)境中的時間比斷口2長。此外，斷口1為平斷口、粗糙、呈放射狀，脆性特征明顯，沒有明顯的裂紋停頓痕跡，且裂紋源附近有明顯的磕碰撞擊痕跡，未斷裂鏈條在相同位置處沒有明顯的碰撞痕跡，表明斷裂鏈條受到了較大的橫向剪切力及拉應(yīng)力作用，碰撞會加速裂紋的形成和擴展。斷口2沿軸向45°方向斷裂，表現(xiàn)出由內(nèi)弧面開裂并向外弧面擴展的疲勞斷口特征，表明該斷口斷裂時受到由內(nèi)弧向外弧方向的剪切應(yīng)力作用。結(jié)合斷口形貌及受力分析，斷口1處先發(fā)生斷裂，鏈條仍在繼續(xù)運行，在較大外部載荷及交變應(yīng)力的作用下，鏈條逐漸損耗，表面強度降低，斷口2隨之發(fā)生斷裂。 

撈渣機鏈條通過表面滲碳處理，可以獲得高的表面硬度、良好的耐磨性和疲勞強度，并保持心部的強度和韌性，鏈條的強度、沖擊性能和耐磨性能提高，材料的使用壽命延長。未斷裂鏈條的滲碳層深度約為2.8 mm，斷裂鏈條的滲碳層深度約為2.3 mm，且滲碳層硬度高于800 HV處的深度約為1.2 mm，低于技術(shù)協(xié)議的要求，表明撈渣機鏈條的滲碳工藝不到位，材料的抗疲勞和抗磨損能力不足。鏈條經(jīng)表面滲碳處理后，其表層組織為馬氏體，硬度和強度高，但塑性較差，在長期外來沖擊載荷的作用下，容易誘發(fā)材料產(chǎn)生裂紋，斷裂鏈條表面存在多處橫向裂紋，裂紋主要呈穿晶斷裂形貌，在較大的沖擊載荷作用下，材料會發(fā)生穿晶開裂。斷裂鏈條的滲碳層深度較淺，在額外碰撞力的作用下，裂紋加速形成并擴展。 

3.   結(jié)論

鏈條表面滲碳工藝不到位，導(dǎo)致鏈條抗疲勞、抗磨損能力不足，在鏈條薄弱處產(chǎn)生多處微裂紋，形成裂紋源，在交變應(yīng)力的作用下，微裂紋繼續(xù)擴展，形成橫向裂紋，裂紋進一步擴展，最終鏈條發(fā)生疲勞脆性斷裂。 

文章來源——材料與測試網(wǎng)