工程機械履帶板斷裂失效原因分析

徐軻 王 貝 劉 陽 陳元鋒

（徐州徐工履帶底盤有限公司，徐州 221011）

履帶底盤作為履帶式工程機械的核心部件之一，具有緊湊的結構、可靠的性能、強大的牽引力和良好的通過性，為履帶式工程機械奠定了堅實基礎，使其能夠應對礦山開采、水利建設、農林作業等不同的施工工況和使用環境。履帶板是履帶底盤的核心部件，與鏈軌節、銷軸、銷套等共同組成履帶總成。在主機運行過程中，履帶板與地面直接接觸，不僅要承受整機質量，還要傳遞施工、行進過程中的交變沖擊載荷，因此要求履帶板具有較高的強度、韌性及耐磨性。

近期，我國某工程機械用三筋履帶板在使用過程中發生單側斷裂，另一側未見明顯變形，如圖1 所示。通過對斷裂履帶板進行宏觀斷口檢測、化學成分檢測、非金屬夾雜物檢測、金相組織檢測及力學性能檢測等理化檢測，結合ANSYS 有限元模擬分析，探究履帶板斷裂失效的原因，為產品改進提供理論依據。

圖1 斷裂履帶板外觀形貌

履帶板型材由25MnB 材質的連鑄方坯經過多道次熱軋制成，具體生產流程如圖2 所示。25MnB 合金鋼具有成本低、性能優良等特點，被廣泛應用于工程機械履帶板的制造[1]。硼元素的加入對鋼的性能產生了顯著影響。偏聚于晶界的酸溶硼通過抑制先共析鐵素體及珠光體的形核，延長了奧氏體分解的孕育期，提高了鋼的淬透性[2]。此外，微量硼在鋼中也起到細化并分散碳化物的作用，形成的高硬度Fe3（C，B）相能有效增強鋼的耐磨性[3]。

圖2 履帶板生產流程

1 理化檢驗

為深入了解履帶板斷裂的具體原因，并為后續生產提供明確指導，進行了詳細的理化檢測。斷裂履帶板取樣位置如圖3 所示。首先，在圖3 所示位置，使用線切割方式，分別在履帶板的斷裂區與非斷裂區進行取樣。其次，利用直讀光譜儀來檢測履帶板的化學成分。再次，采用金相顯微鏡（Optical Microscope，OM）、掃描電子顯微鏡電鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）和X 射線能譜儀（Energy Dispersive Spectrometer，EDS），深入觀察和分析斷口微觀組織及夾雜物，以了解斷裂表面形貌、夾雜物類型與分布等。利用洛氏硬度計、電子萬能試驗機及沖擊試驗機，檢測履帶板的力學性能。

圖3 斷裂履帶板取樣位置

1.1 斷口形貌分析

直接觀察履帶板表面，未見異常變形或磨損，斷裂面垂直于履帶板長度方向，斷裂區域位于履帶板與鏈軌節連接安裝面的外側，如圖4（a）所示。進一步分析宏觀斷口，發現整個斷裂面存在顏色差異明顯的2 個部分，筋部A 區斷口顏色較深，說明發生氧化銹蝕，其余區域為具有金屬光澤的嶄新斷口，如圖4（b）所示。對A 區放大倍數后進行觀察，在斷面D 處發現局部磨損痕跡，在斷口D 至斷口E 方向觀察到呈放射性纖維狀延伸的形態，在板部邊緣F 位置發現塑性剪切唇口，如圖4（c）所示。綜上所述，履帶板斷裂起始位置可能位于A 區筋部。

圖4 履帶板宏觀斷口形貌

利用SEM 對整個斷口進行更深入的觀察。履帶板斷口微觀形貌如圖5 所示。從圖5 中可以看出，斷口A 區雖然銹蝕、磨損嚴重，掩蓋了大部分微觀形貌，但仍可辨別出韌窩。B 區、C 區斷口分布大量韌窩，微坑呈拋物線狀且略向一側傾斜，為剪切型韌窩特征。通過斷口微觀形貌分析，可以初步認定履帶板斷裂是由異常過載或材料強度不足導致的韌性斷裂，A 區為先期斷裂主斷口，D 處為初始斷裂源。A 區局部斷裂后，斷口因長時間暴露導致表面產生銹蝕及磨損。在后續服役過程中，當履帶板受到較大應力作用時，由于有效承載面積減少和局部強度不足，發生完全斷裂，形成嶄新的斷裂面。

圖5 履帶板斷口微觀形貌

1.2 化學成分檢驗

分別檢測履帶板斷口位置與正常位置的化學成分，結果如表1 所示。通過對比分析可知，斷口區與正常區的化學成分的質量分數均在標準范圍內，且差異不大。此外，斷口區對裂紋敏感性較高的C 元素的質量分數處于標準范圍內，有害雜質元素S、P 的質量分數處于較低水平。

表1 履帶板的化學成分的質量分數 單位：%

1.3 金相組織分析

為提高履帶板的強度和耐磨性，通常采用加熱后整體噴淋淬火的熱處理工藝，確保整個履帶板均為細小的馬氏體組織，不存在鐵素體、珠光體等影響強度的低硬度組織。在斷裂履帶板的斷裂區與非斷裂區分別取3 個不同位置的金相試樣，先在砂紙上逐級打磨，表面磨拋后使用4%的硝酸酒精溶液侵蝕，然后使用金相顯微鏡觀察不同位置的金相組織，如圖6 所示。由圖6 可以看出，斷口區與非斷口區的微觀組織均為細小馬氏體組織，無局部粗大馬氏體或未熔鐵素體，斷口處無脫碳層，說明該批次履帶板熱處理過程正常。

圖6 履帶板金相組織

1.4 力學性能檢測

根據《金屬平均晶粒度測定方法》（GB/T 6394—2017），分別對斷裂區與非斷裂區的試樣進行晶粒度檢測。經研磨、拋光、苦味酸飽和溶液浸蝕后，測得斷裂區、非斷裂區的晶粒度級別分別為9.0 級、9.5 級，晶粒均勻，滿足技術要求，且履帶板不同位置的晶粒度差異較小，如圖7 所示。

圖7 履帶板晶粒度

利用洛氏硬度計來檢測履帶板的截面硬度，檢測示意圖如圖8 所示，硬度測量結果如表2 所示。履帶板在斷裂區與非斷裂區的截面硬度差異不大，硬度值均在標準范圍內，近表面硬度為46.0～49.5 HRC，筋部芯部洛氏硬度為46.0 HRC，硬度均勻，波動較小，整個截面無軟點。

表2 斷裂履帶板截面洛氏硬度測量結果 單位：HRC

圖8 截面硬度測量示意圖

沿履帶板軋制方向在斷口兩側取樣，分別進行室溫拉伸和沖擊性能檢測。非斷裂區的屈服強度、抗拉強度及延伸率分別為1 308 MPa、1 606 MPa、11.5%，斷裂區的屈服強度、抗拉強度及延伸率分別為1 332 MPa、1 618 MPa、12.0%，均滿足技術要求（屈服強度≥1 117 MPa、抗拉強度≥1 373 MPa、延伸率≥11%）。履帶板非斷裂區的沖擊韌性為95.0 J·cm-2，斷口附近的沖擊韌性為80.0 J·cm-2，均滿足技術要求（沖擊韌性≥68.6 J·cm-2），但斷口處的沖擊韌性略低于正常區。斷裂履帶板的強度及沖擊韌性如圖9 所示。

圖9 斷裂履帶板不同區域的強度和沖擊韌性

1.5 非金屬夾雜物檢測

按照《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》（GB/T 10561—2023）中的A 法進行非金屬夾雜物檢驗。沿履帶板橫截面取樣并進行非金屬夾雜物檢驗，發現筋部主斷口A 區存在尺寸較大的非金屬夾雜物。進一步在A 區沿軋制方向進行取樣和檢驗，觀察到夾雜物為黑色，端部為銳角，沿軋制方向呈長條狀分布；夾雜物最大長度為768 μm，寬度為12 μm，是C 類粗細3 級，不滿足技術協議（≤1.5 級）的要求。非金屬夾雜物檢驗結果如表3 所示，形貌如圖10 所示。

表3 履帶板主斷口與非斷裂區非金屬夾雜物等級

圖10 非金屬夾雜物形貌

2 原因分析

大量研究表明，夾雜物的形狀和尺寸對鋼材的可靠性與力學性能有著顯著的影響[4-5]。由于夾雜物破壞了金屬的連續性，應力在局部集中，為裂紋的形成提供了條件。這些微裂紋先在夾雜物上形核，然后聚合、長大并擴展，最終導致材料斷裂。夾雜物或大尺寸第二相粒子的數量和尺寸在材料斷裂中起到重要作用。隨著夾雜物數量的增多和尺寸的增大，裂紋的產生概率逐漸提高，降低了鋼材的韌性。值得注意的是，非金屬夾雜物對鋼材抗拉強度的影響更為顯著。鋼材斷裂時一般呈現塑性斷裂特征。當鋼中存在夾雜物的偏析或沿晶界分布時，這些非金屬夾雜物往往會成為裂紋的起始點，導致鋼材強度急劇降低[6]。

鋼中非金屬夾雜物的來源主要有兩個方面。一是鐵合金的脫氧產物和澆鑄過程中鋼水和空氣的氧化反應產物會產生內生夾雜，此類夾雜一般顆粒細小。二是從外界帶入的雜質、熔渣等卷入的夾雜物，或耐火材料侵蝕進入鋼液產生的外來夾雜物，此類夾雜物通常外形不規則、尺寸較大且分布不均勻，對鋼材的性能影響很大[7-8]。

通過掃描電鏡分析可知，非金屬夾雜物主要包含Ca、Si、O、Na、Mg、Al、K、Zr 等元素，推斷為生產過程中結晶器卷渣所形成的外來夾雜物。對原材料廠家的生產過程數據進行追溯，該爐次坯型為160 mm×160 mm，在連鑄生產時未更換水口，可排除因更換水口造成的結晶器液面波動。排查連鑄機的生產歷史記錄發現，某班次生產時，連鑄機6 個流中第4 流出現過1 次拉坯速度變化，速度由1.70 m·min-1變為1.55 m·min-1，結晶器液面發生約4 s 的異常波動。由于持續時間較短，現場未進行甩坯處理，其余時間段拉坯速度波動均在0.02 m·min-1以內，波動范圍較小。

雖然鋼水經過爐外精煉和真空脫氣處理，潔凈度很高，但是仍然會存在微量殘留夾雜物。這些夾雜物在連鑄過程中在浸入式水口（Submerged Entry Nozzle，SEN）內壁上沉積。當聚集物突然脫落時，結晶器液面出現異常波動，在液面波動和湍流的共同作用下，保護渣滴極易脫離渣層被鋼液包裹至熔池深處，與鋼中內生夾雜質（Al2O3）結合形成大顆粒非金屬夾雜物存在于連鑄坯[9-10]。此外，有學者認為當拉坯速度降低時，鋼水與保護渣界面的鋼水更新緩慢，保護渣融化不良，導致液渣層過薄，從而造成連鑄結晶器液面卷渣[11]。

3 有限元仿真分析

在履帶式工程機械作業過程中，施工工況惡劣、載荷復雜?？紤]到履帶板邊緣壓在路面凸起上，會出現主機單側履帶僅部分履帶板承載受力的極限工況。利用ANSYS 有限元分析軟件，按照履帶板端面筋部接觸路面區域，分別進行履帶板單側3 個筋（工況一）和單側2 個筋（工況二）接觸路面同時承載整機質量的2 種極限工況分析。

仿真結果表明，履帶板板部應力較小，筋部拉應力很高，如圖11 所示。在工況一下，履帶板筋部應力分別為A 區930 MPa、B 區1 019 MPa、C 區785 MPa，中間筋底面B 區應力最大。在工況二下，履帶板筋部應力分別為A 區669 MPa、B 區1 172 MPa、C 區域1 159 MPa。B 區、C 區應力很大，是履帶板使用時相對薄弱的區域。當筋部出現材料強度不足或異常過載時，會先從該位置斷裂，與故障件的斷裂位置基本吻合。

圖11 履帶板受力模擬

4 結論

（1）經過理化檢驗與分析，斷裂履帶板的化學成分、金相組織、晶粒度、截面硬度與力學性能均滿足熱處理技術要求。

（2）履帶板斷裂原因為C 類非金屬夾雜物超過標準要求，大尺寸非金屬夾雜物破壞履帶板基體的連續性。在使用過程中，履帶板筋部因強度不足產生裂紋并擴展延伸，在交變應力的作用下斷裂。

（3）連鑄結晶器卷渣形成的外生夾雜物對連鑄坯質量及后續工序造成很大影響，鋼廠應嚴格監控連鑄過程的關鍵參數，控制中間包沖擊區渣厚，設定結晶器內液面波動、表面流速及拉坯速度等參數的控制目標值，當過程出現異常波動時，應及時進行坯料甩坯處理。