图 1断裂链条的宏观形貌
链条是火力发电机组捞渣机的重要组成部件，其质量对于火力发电机组的安全运行具有重要意义[1-3]。捞渣机上使用的链条长期在高载荷环境下运行，链环之间会出现长时间摩擦磨损，因此要求其具有较好的抗拉性能和耐磨性能，材料内部不允许存在微裂纹，且通常要对链条进行表面渗碳处理[4-6]。某机组捞渣机链条发生断裂事故，供货技术协议中规定捞渣机链条的材料为CrNiMo合金钢，链条表面经过渗碳处理，渗碳层深度大于3.4 mm，表面硬度不低于800 HV。笔者采用一系列理化检验方法对该捞渣机链条断裂的原因进行分析，以避免该类问题再次发生。
1. 理化检验
1.1 宏观观察
断裂捞渣机链条的宏观形貌如图1所示。由图1可知：链条侧面有多处轻微刮擦痕迹；链条连接部分磨损严重处表面减薄约3~4 mm，断裂位置并不在磨损较为严重的地方；链条有两处断口，分别编号为断口1和断口2，断口1表面与链条轴向近似垂直，断面粗糙，呈暗黑色，断口较平齐，无明显颈缩现象，呈放射状，裂纹源位于链条外侧表面，裂纹源附近有明显的碰撞痕迹；断口2起裂于链条内侧表面，断面与轴线约呈45°，裂纹源区较平整光滑，颜色发黑，裂纹扩展区域有黄色锈迹，面积较大，裂纹源区有少量疲劳弧线，裂纹呈放射状扩展，瞬断区呈光亮金属色，可见剪切唇；除断口部位外，在链条外侧表面还存在多条横向裂纹，与断口1开裂方向一致，横向裂纹扩展至横截面外周1/2处。
1.2 化学成分分析
采用合金分析仪对捞渣机链条的化学成分进行分析，结果如表1所示。由表1可知：材料的碳元素质量分数略低于供货要求，其他化学成分符合供货要求。因此可以排除材料选择不当导致捞渣机链条断裂的情况。
Table 1.捞渣机链条的化学成分分析结果
1.3 渗碳层深度测试
在未断裂链条和断裂链条上取样，取样位置如图2所示。
将试样1~4进行机械磨抛后，利用4%（体积分数）硝酸乙醇溶液腐蚀链条横截面，利用光学显微镜观察试样的渗碳层，结果发现试样1~4渗碳层周向深度一致，较均匀，试样1~3的平均渗碳层深度约为2.3 mm，试样4的渗碳层深度约为2.8 mm，低于技术协议的规定（3.4 mm）。
在断裂链条横截面上取样，采用显微维氏硬度计对试样进行硬度测试，加载力为9.8 N，硬度点间距为100~200 μm，硬度分布如图3所示。由图3可知：渗碳层硬度高于800 HV处的深度约为1.2 mm，小于技术协议的规定（3.4 mm）。
1.4 金相检验
沿断裂链条中横向裂纹纵向剖开并截取试样，将试样置于光学显微镜下观察，结果如图4所示。由图4可知：裂纹由外表面向基体沿直线扩展，且与轴向垂直，主裂纹最深约为4.3 mm，主裂纹两侧存在一些分叉的小裂纹，这些小裂纹主要集中在渗碳层附近。
试样2横截面的显微组织形貌如图5所示。由图5可知：链条表面渗碳层组织为针状马氏体，渗碳层过渡区组织为针状马氏体+板条马氏体，基体组织为回火索氏体。
试样1纵截面的显微组织形貌如图6所示。由图6可知：链条表面渗碳层组织为针状马氏体，渗碳层过渡区为针状马氏体+板条马氏体+少量铁素体，基体组织为回火索氏体+少量铁素体。
2. 综合分析
由上述理化检验结果可知，断裂链条外侧表面有较多横向裂纹，大多数裂纹起裂于外侧表面，扩展长度约占轴向的1/2，而内侧表面未见裂纹，断口1开裂方向与外侧表面裂纹扩展趋势一致。断口1表面为致密的黑色氧化膜，断口2裂纹源区表面呈黑色，裂纹扩展区域有黄色锈迹，面积较大，瞬断区呈光亮的金属色，表明断口1暴露在空气和环境中的时间比断口2长。此外，断口1为平断口、粗糙、呈放射状，脆性特征明显，没有明显的裂纹停顿痕迹，且裂纹源附近有明显的磕碰撞击痕迹，未断裂链条在相同位置处没有明显的碰撞痕迹，表明断裂链条受到了较大的横向剪切力及拉应力作用，碰撞会加速裂纹的形成和扩展。断口2沿轴向45°方向断裂，表现出由内弧面开裂并向外弧面扩展的疲劳断口特征，表明该断口断裂时受到由内弧向外弧方向的剪切应力作用。结合断口形貌及受力分析，断口1处先发生断裂，链条仍在继续运行，在较大外部载荷及交变应力的作用下，链条逐渐损耗，表面强度降低，断口2随之发生断裂。
捞渣机链条通过表面渗碳处理，可以获得高的表面硬度、良好的耐磨性和疲劳强度，并保持心部的强度和韧性，链条的强度、冲击性能和耐磨性能提高，材料的使用寿命延长。未断裂链条的渗碳层深度约为2.8 mm，断裂链条的渗碳层深度约为2.3 mm，且渗碳层硬度高于800 HV处的深度约为1.2 mm，低于技术协议的要求，表明捞渣机链条的渗碳工艺不到位，材料的抗疲劳和抗磨损能力不足。链条经表面渗碳处理后，其表层组织为马氏体，硬度和强度高，但塑性较差，在长期外来冲击载荷的作用下，容易诱发材料产生裂纹，断裂链条表面存在多处横向裂纹，裂纹主要呈穿晶断裂形貌，在较大的冲击载荷作用下，材料会发生穿晶开裂。断裂链条的渗碳层深度较浅，在额外碰撞力的作用下，裂纹加速形成并扩展。
3. 结论
链条表面渗碳工艺不到位，导致链条抗疲劳、抗磨损能力不足，在链条薄弱处产生多处微裂纹，形成裂纹源，在交变应力的作用下，微裂纹继续扩展，形成横向裂纹，裂纹进一步扩展，最终链条发生疲劳脆性断裂。
文章来源——材料与测试网