某單相斷路器連桿的斷裂原因

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(1.中航工業(yè)天津航空機(jī)電有限公司，天津 300308； 2.常州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，常州213164；3.中國(guó)人民解放軍空軍駐天津軍事代表室，天津 300300)

0 引 言

4Cr13鋼屬于典型的中碳高鉻馬氏體型耐腐蝕鋼，其機(jī)械加工性能較好，經(jīng)過(guò)熱處理后具有較高的強(qiáng)度、良好的耐磨性、較佳的拋光性和優(yōu)良的耐腐蝕性能，可廣泛用于制造精密機(jī)械、化工、石油天然氣等領(lǐng)域中在高載荷和腐蝕條件下使用的零件[1-3]。4Cr13鋼模具在高低溫處理過(guò)程中容易發(fā)生斷裂，這是由于淬火后回火不足使模具存在較大的淬火應(yīng)力，且淬火馬氏體的脆性較大，從而導(dǎo)致模具在其形狀尖銳的位置或組織不均勻處開(kāi)裂[4]。熱處理對(duì)4Cr13鋼零部件性能的影響較大，一旦工藝控制不當(dāng)，便會(huì)使零部件產(chǎn)生敏感性的微裂紋，最終導(dǎo)致零部件的失效[5-6]。

某廠裝配車(chē)間在調(diào)試一批單相斷路器時(shí)，有多臺(tái)單相斷路器在進(jìn)行安秒特性試驗(yàn)時(shí)不能正常斷開(kāi)，將斷路器拆開(kāi)后發(fā)現(xiàn)連桿在其90°彎角處發(fā)生了斷裂，從而導(dǎo)致單相斷路器在過(guò)載情況下無(wú)法斷開(kāi)。連桿由4Cr13鋼制造而成，長(zhǎng)度約8 cm，最大寬度約3.6 cm，存在半徑0.1 mm的倒角3處，90°彎角1處。按照GB/T 2598-1981，4Cr13鋼連桿在加工過(guò)程中需經(jīng)過(guò)2道退火工序、2道彎型工序、1道淬火工序、1道回火工序、1道點(diǎn)焊工序、1道化學(xué)鍍鎳工序，加工過(guò)程較復(fù)雜。其中：第1道退火工序是在連桿彎型前進(jìn)行的，其工藝為(880±10) ℃保溫1～2 h，隨爐冷卻；第2道退火工序是在點(diǎn)焊工藝后進(jìn)行的，其工藝為(700±20) ℃保溫1～2 h，隨爐冷卻。在真空爐中(1 020±10) ℃保溫25 min，油淬，然后在真空爐中于510～530 ℃回火。為了找到4Cr13鋼連桿斷裂的原因，作者對(duì)其進(jìn)行了失效分析。

1 理化檢驗(yàn)及結(jié)果

1.1 宏觀形貌

由圖1可以看出：連桿表面有2個(gè)焊點(diǎn)；斷口較為平坦，表面呈銀灰色，斷口與連桿平面成45°角，將斷口放大后發(fā)現(xiàn)，斷口與應(yīng)力方向垂直，斷口上有較為清晰的人字形放射線，斷裂源位于連桿90°彎角內(nèi)側(cè)(I區(qū))，此處半徑為0.1 mm。在工作過(guò)程中，連桿僅受到脫扣時(shí)按鈕彈簧的彈力，其主要受力部位為90°彎角與脫扣板平面處；在對(duì)該處進(jìn)行彎型時(shí)采用近似直角模具，彎型后需進(jìn)行第二次彎型校正，因此極易在此處產(chǎn)生應(yīng)力集中。

圖1 連桿的宏觀形貌及斷口形貌Fig.1 Macroscopic morphology (a) and fracture morphology (b) of link

1.2 斷口微觀形貌與顯微組織

圖2 失效連桿斷裂處和未失效連桿相同位置處的SEM形貌Fig.2 SEM images of fracture location of failure link (a) and the same location of non-failure link (b)

采用JEOL 5410型掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)失效連桿的斷裂處形貌和未失效連桿相同位置處的形貌進(jìn)行觀察。由圖2可以看出，失效連桿90°彎角內(nèi)側(cè)(I區(qū))存在高約60 μm的不規(guī)則突出物，突出物頂端較平坦；未失效連桿在此部位也存在突出物。該突出物是對(duì)連桿進(jìn)行90°彎型后在打磨端頭的過(guò)程中所產(chǎn)生的毛刺。突出物所在平面是連桿與脫扣板相互作用的平面，而且連桿與脫扣板是緊密配合的，突出物的存在導(dǎo)致連桿與脫扣板間的作用方式由面作用轉(zhuǎn)變?yōu)榫€作用，使得彎角處的力矩較大，因此連桿易在此處發(fā)生斷裂。

圖3 失效連桿斷口不同位置處(如圖1所示)的SEM形貌Fig.3 SEM images of different positions (shown in Fig.1) in the failure link fracture: (a) I zone and (b) II zone

采用JEOL 5410型掃描電子顯微鏡和VH-Z500R型數(shù)字光學(xué)顯微鏡觀察連桿斷口的微觀形貌和顯微組織。由圖3可以看出：斷口I區(qū)存在明顯的解理臺(tái)階與韌窩，未發(fā)現(xiàn)明顯的沿晶斷裂面，河流花樣短而彎曲，支流少，解理面小，且周?chē)休^多的撕裂棱；斷口II區(qū)存在撕裂棱與小解理面，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)其他冶金缺陷。由此可以推斷出，連桿的斷裂形式為準(zhǔn)解理斷裂[7-8]。

由圖4可知，失效連桿斷口上的晶粒細(xì)小，斷口無(wú)過(guò)燒裂紋等缺陷，組織為回火索氏體，與4Cr13不銹鋼經(jīng)油淬和回火后的組織吻合，為正常組織。

圖4 失效連桿斷口的顯微組織Fig.4 Microstructure of the fracture of failure link

1.3 顯微硬度

用HVS-1000型維氏硬度計(jì)測(cè)失效連桿斷裂處和同批次的3個(gè)未失效連桿相同位置處的硬度，載荷為2.94 N，每個(gè)試樣上測(cè)3個(gè)點(diǎn)取平均值。由表1可知：失效連桿的維氏硬度偏高，經(jīng)換算得到的洛氏硬度超出了該產(chǎn)品所要求的45～50 HRC；未失效連桿的洛氏硬度均在45～50 HRC。硬度過(guò)高會(huì)造成連桿剛性較強(qiáng)而韌性不足，導(dǎo)致其在過(guò)載情況下易發(fā)生脆性斷裂。

表1 失效連桿和未失效連桿的硬度Table 1 Hardnesses of the failure link and non-failure links

2 斷裂原因分析

由上述檢驗(yàn)結(jié)果可知，4Cr13鋼連桿斷裂源位于90°彎角內(nèi)側(cè)，斷裂形式為準(zhǔn)解理斷裂，且失效連桿的硬度偏高，超出了合格產(chǎn)品的要求值。4Cr13鋼具有開(kāi)裂敏感性，在熱處理過(guò)程中或點(diǎn)焊接過(guò)程中容易出現(xiàn)微裂紋[9]。淬火4Cr13鋼的抗回火性較好，隨回火溫度的升高，硬度緩慢下降，但是當(dāng)回火溫度超過(guò)450 ℃后，硬度反而升高，從而出現(xiàn)二次硬化現(xiàn)象[10]，使4Cr13鋼的脆性增加，導(dǎo)致連桿在彎型過(guò)程中于90°彎角處易產(chǎn)生應(yīng)力集中，繼而形成微裂紋，并最終導(dǎo)致斷裂[5]。另外，連桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不合理也是連桿斷裂的主要原因之一，斷裂處倒角圓弧半徑偏小(0.1 mm)，使得該處在彎型過(guò)程中容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致連桿在調(diào)試過(guò)程中因受力而發(fā)生斷裂。

化學(xué)鍍鎳是連桿加工過(guò)程的最后一道工序，在該過(guò)程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生大量的氫氣。氫通過(guò)吸附和擴(kuò)散進(jìn)入4Cr13鋼內(nèi),會(huì)使4Cr13鋼出現(xiàn)氫脆現(xiàn)象。但由檢驗(yàn)結(jié)果可知，4Cr13鋼連桿的失效形式為準(zhǔn)解理斷裂，這與由氫脆所引起的沿晶斷裂形貌不一致。因此，化學(xué)鍍鎳工序中產(chǎn)生的氫不是連桿斷裂的原因。

經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，有些4Cr13鋼連桿在彎型工序后于90°彎角處出現(xiàn)微裂紋,測(cè)得這些連桿的硬度均偏高，而彎型工序之前需要對(duì)4Cr13鋼連桿進(jìn)行退火處理，退火過(guò)程中的加熱速率過(guò)快導(dǎo)致其硬度偏高。因此，在退火過(guò)程中應(yīng)控制加熱速率，使連桿的硬度降低，從而避免連桿在彎型工序中產(chǎn)生局部微裂紋而最終發(fā)生斷裂。

3 結(jié) 論

(1) 4Cr13鋼連桿在90°彎角內(nèi)側(cè)發(fā)生脆性過(guò)載斷裂，斷裂形式為準(zhǔn)解理斷裂。

(2) 4Cr13鋼連桿在90°彎角處的硬度偏高，同時(shí)倒角圓弧半徑偏小，使得連桿在彎型過(guò)程中于90°彎角內(nèi)側(cè)易發(fā)生應(yīng)力集中而形成微裂紋，并最終導(dǎo)致4Cr13鋼連桿在調(diào)試過(guò)程中因受力而發(fā)生斷裂；合理設(shè)計(jì)連桿結(jié)構(gòu)，并在彎型工序前控制退火過(guò)程中的加熱速率，可避免4Cr13鋼連桿的斷裂。