斷路器軸銷斷裂機理分析

周海雄，胡永輝

斷路器軸銷斷裂機理分析

周海雄，胡永輝

（河南平高電氣股份有限公司，河南平頂山467001）

某斷路器的操作過程中發生40Cr軸斷裂，從斷口分析、化學成分分析、硬度檢測、金相分析等對軸斷裂的原因進行分析。結果表明：軸針端部盲孔過渡弧曲率半徑偏小，加工粗糙程度大而造成的應力集中，是銷軸發生斷裂失效的重要的外部因素；同時軸針端盲孔的過渡圓弧性能偏低，工作中造成應力集中，并萌生疲勞裂紋源，裂紋不斷擴展，最終導致了低周疲勞斷裂。

軸銷；引力集中；低周疲勞斷裂

某斷路器在操作過程中，軸銷發生斷裂，斷裂口距離母接頭的密封面大約為：內側25 mm，外側45 mm.軸銷規格為250 mm×4500 mm；斷裂端部加工一125 mm×300 mm的盲孔，壁厚度62.5 mm，壁端面均勻分布6個21 mm×50 mm的螺栓孔，螺栓孔內螺紋加工長度約為33 mm，通過對螺栓孔內螺紋受力情況分析，推斷出螺栓輸入軸銷的作用長度約為25 mm左右，圖紙顯示該斷路器軸銷為40Cr鋼材質，其加工工藝流程為：（1）鋼坯鍛造280mm的圓鋼；（2）粗車266 mm（粗車部位）；（3）調質處理；（4）精加工成型。為確定斷路器軸斷裂原因，以避免再次發生類似故障，本文用物理和化學測試和分析方法對軸銷的斷裂的原因進行分析。

1 理化分析

1.1 化學成分分析

在軸銷上截取一段作為實驗的一組試樣，圖1為斷裂軸照片，用德國OBLFGS-1000型光譜儀按照GB/ T4336-2002標準方法進行分析，詳細結果見表1，可以確定斷路器材料的化學成分符合40Cr剛GB/T3077-1999標準的規范要求。圖2為斷路器內部結構。

圖1 斷裂軸

表1 化學成分分析結果

圖2 斷路器內部結構

1.2 斷口的宏觀觀察

斷路器軸銷斷裂位置距離母接頭密封面大約為內側25 mm，舷外45 mm處，斷裂口整體呈傾斜狀，并且是由外圓周向內部傾斜，斷口區域可以分為裂紋源區、裂紋擴大和瞬間斷裂區。裂紋位于端部盲孔根部的R處，斷裂位置周圍明顯可見疲勞擴展貝紋線，初始擴展貝紋線距離比較小，然后間距顯著擴大，說明軸銷疲勞擴展的瞬間的拉力極大；疲勞條紋間距大，根據以上分析該斷路器應該屬于高應力低疲勞的斷裂。圖3顯示：斷裂表面局部區域摩擦痕跡明顯、磨損顯著，表明斷裂前該軸受到很大的往復拉伸負載。從圖4可以看出，瞬間斷裂區占整個斷開的45%左右，從內到外呈30°不規則斜錐形態，為受比較大的拉伸負載所致。

圖3 斷口照片（未經超聲波清洗）

圖4 斷口照片（超聲波清洗后）

1.3 硬度測試

由于斷路器軸銷的長度不足，不能進行拉伸試驗，所以就在斷開附近取樣進行了硬度測試，靠外壁的瞬時區域的硬度為309 HBW，距離裂紋源10 mm處硬度271 HBW、裂紋源頭處硬度257 HBW，查閱GB/T1172-1999年《黑色金屬硬度強度換算值》，可以算出三個檢測部位分別的抗拉強度分別為：1 040 MPa、910 MPa和865 MPa，斷裂處抗裂強度遠低于設計圖紙要求（要求Rm≥935 MPa）。

1.4 金相檢驗

在軸銷處取樣利用金相顯微鏡觀察高倍形態，對斷裂的軸銷進行橫向取樣，進行低濃度酸浸泡試驗，如圖5所示，有點狀偏析，再進行同一批次的軸( DS099109J0909)縱向取樣，如圖6所示有很多明顯的發紋。對樣本進行金相試驗，基體組織為回火索氏體，但明顯顯示馬氏體位相，晶粒度級別約為4.5級，如圖7所示。滲氮層基本正常，如圖8所示。化合物層的厚度約為2～4μm，滲氮層(化合物層+擴散層)深度約120～130μm，高于圖紙的數據值，經過硬度法測量結果相同。

圖5 橫截面酸浸照片點狀偏析

圖6 縱截面酸浸照片明顯發紋

圖7 橫截面金相心部組織基體仍保持馬氏體位相

圖8 橫截面金相滲氮層厚約120μm

2 分析和討論

斷路器軸銷在工作中受到拉伸和擠壓2個方向的力，主要是受到拉伸方向的力；斷裂位置距母接頭密封面約為內側25 mm，外側45 mm.從以上的物理和化學試驗結果表明，化學成分已滿足軸銷的GB /T3077-1999年鋼結構的質量要求標準，瞬間斷裂帶的力學性能符合設計，但斷裂位置和裂源附近力學特征的測試數值明顯低于設計要求，說明材料在斷裂位置的性能表現不佳。出問題的軸銷斷口整體呈斜坡狀，且外圓向內孔壁傾斜，裂痕源位于軸銷端部盲孔根部的R處，裂紋源周圍可見明顯疲勞擴展貝紋線，起始的擴展貝紋線間距較小，而且后間距明顯擴大，瞬間斷裂區域面積占整個斷口的45%，由內側向外側呈30°不規則斜錐面形態，說明該軸銷疲勞擴展度以及斷裂時的拉應力極大，存在很多小范圍的區域斷口摩擦磨損現象，說明斷裂的軸銷在使用過程中受到的拉伸載荷很大，在疲勞裂紋產生后便迅速發生失衡斷裂[1]。

裂源區發現很多的疲勞臺階，說明R角區域有較大應力集中現象。從結構角度分析，R角處為軸銷較最薄弱位置，圓弧過度半徑較小，較小的倒角在使用過程中容易產生較大應力集中。通過掃描電鏡分析，軸銷R角處加工精度不夠，有明顯的缺陷，加上R處附近有很多非金屬夾雜物，有明顯的成分缺陷，且R角處附近還有一些非金屬夾雜物聚集，以上缺陷破壞了金屬的連續性，在工作過程中受力，因為運動受阻導致大量的錯位堆積，所以該位置容易形成應力集中；應力集中不斷的堆積，當應力強度超出材料強度所承受的范圍時產生疲勞裂紋源，在交變應力作用下裂紋源不斷擴展，當紋擴展到整個橫截面導致斷裂處無法承受其工作應力，即當工作應力高于材料的抗疲勞強度時產生疲勞性斷裂[2]。

此外，材料顯微組織及強度分析結果顯示，斷裂軸銷R角處位于淬火組織轉化完全與不完全臨界區域，為組織應力大、材料強度逐漸減弱區域。同時由于此處還有很多非金屬夾雜質，也是引發材料性能降低的主要因素。

3 結論和建議

由于斷裂軸銷端部盲孔的過渡圓弧曲率半徑偏小，加工不夠精細，而引發引力集中，是軸銷發生斷裂的重要外部因素；同時軸銷端部盲孔過渡圓弧處大量聚集非金屬夾雜物和加工材料使加工工序不當，導致軸銷端部盲孔過渡圓弧R處各項性能降低，工作時在非金屬雜質較聚集的盲孔過渡圓弧區域引起較大引力集中，而產生疲勞裂紋源，隨著軸銷工作在拉伸載荷作用下裂紋不斷擴大，最終導致低周疲勞斷裂[3]。

建議如下：（1）增加R角位置倒角，提高R角處加工精度，以減少應力集中；（2）調整加工工序，提高抗疲勞強度；（3）提高材料的純度。

[1]胡世炎.機械失效分析手冊[M].成都：四川科學技術出版社，1998：135.

[2]上海交通大學《金屬斷口分析》編寫組.金屬斷口分析[M].北京：國防工業出版社，1979：56.

[3]鐘群鵬，趙子華.斷口學[M].北京：高等教育出版社，2006：26-32.

Circuit Breaker Shaft Pin Fracture Failure Mechanism Analysis

ZHOU Hai-xiong，HU Yong-hui
（Henan Ping Gao Electric Limited by Share Ltd.，Pingdingshan Henan 467001，China）

A 40 cr shaft pin broke when a type of circuit breaker was running.The research of the reasons for the fracture，which was based on the fracture of shaft pin，its chemical composition，its hardness testing and metallographic examination method，found that the most important external factors were excessively small holes transition arc R and the gravity concentration caused by roughness in processing.At the same time，the needle side blind holes transition arc performance on the low side，gravity concentration from work，and initiation of fatigue crack source expanding crack，eventually led to the low cycle fatigue fracture.

shaft pin；gravity concentration；low cycle fatigue fracture

TM561

A

1672-545X（2017）02-0196-03

2016-11-23

周海雄（1982-），男，湖南邵陽人，本科，助理工程師，研究方向：機械制造及金屬材料。