某單相斷路器連桿的斷裂原因

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(1.中航工業天津航空機電有限公司，天津 300308； 2.常州大學機械工程學院，常州213164；3.中國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，其機械加工性能較好，經過熱處理后具有較高的強度、良好的耐磨性、較佳的拋光性和優良的耐腐蝕性能，可廣泛用于制造精密機械、化工、石油天然氣等領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程中容易發生斷裂，這是由于淬火后回火不足使模具存在較大的淬火應力，且淬火馬氏體的脆性較大，從而導致模具在其形狀尖銳的位置或組織不均勻處開裂[4]。熱處理對4Cr13鋼零部件性能的影響較大，一旦工藝控制不當，便會使零部件產生敏感性的微裂紋，最終導致零部件的失效[5-6]。

某廠裝配車間在調試一批單相斷路器時，有多臺單相斷路器在進行安秒特性試驗時不能正常斷開，將斷路器拆開后發現連桿在其90°彎角處發生了斷裂，從而導致單相斷路器在過載情況下無法斷開。連桿由4Cr13鋼制造而成，長度約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鋼連桿在加工過程中需經過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道點焊工序、1道化學鍍鎳工序，加工過程較復雜。其中：第1道退火工序是在連桿彎型前進行的，其工藝為(880±10) ℃保溫1～2 h，隨爐冷卻；第2道退火工序是在點焊工藝后進行的，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，作者對其進行了失效分析。

1 理化檢驗及結果

1.1 宏觀形貌

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

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行觀察。由圖2可以看出，失效連桿90°彎角內側(I區)存在高約60 μm的不規則突出物，突出物頂端較平坦；未失效連桿在此部位也存在突出物。該突出物是對連桿進行90°彎型后在打磨端頭的過程中所產生的毛刺。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，突出物的存在導致連桿與脫扣板間的作用方式由面作用轉變為線作用，使得彎角處的力矩較大，因此連桿易在此處發生斷裂。

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型數字光學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區存在明顯的解理臺階與韌窩，未發現明顯的沿晶斷裂面，河流花樣短而彎曲，支流少，解理面小，且周圍有較多的撕裂棱；斷口II區存在撕裂棱與小解理面，沒有發現其他冶金缺陷。由此可以推斷出，連桿的斷裂形式為準解理斷裂[7-8]。

由圖4可知，失效連桿斷口上的晶粒細小，斷口無過燒裂紋等缺陷，組織為回火索氏體，與4Cr13不銹鋼經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型維氏硬度計測失效連桿斷裂處和同批次的3個未失效連桿相同位置處的硬度，載荷為2.94 N，每個試樣上測3個點取平均值。由表1可知：失效連桿的維氏硬度偏高，經換算得到的洛氏硬度超出了該產品所要求的45～50 HRC；未失效連桿的洛氏硬度均在45～50 HRC。硬度過高會造成連桿剛性較強而韌性不足，導致其在過載情況下易發生脆性斷裂。

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

由上述檢驗結果可知，4Cr13鋼連桿斷裂源位于90°彎角內側，斷裂形式為準解理斷裂，且失效連桿的硬度偏高，超出了合格產品的要求值。4Cr13鋼具有開裂敏感性，在熱處理過程中或點焊接過程中容易出現微裂紋[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，但是當回火溫度超過450 ℃后，硬度反而升高，從而出現二次硬化現象[10]，使4Cr13鋼的脆性增加，導致連桿在彎型過程中于90°彎角處易產生應力集中，繼而形成微裂紋，并最終導致斷裂[5]。另外，連桿結構設計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)，使得該處在彎型過程中容易產生應力集中，從而導致連桿在調試過程中因受力而發生斷裂。

化學鍍鎳是連桿加工過程的最后一道工序，在該過程中不可避免地會產生大量的氫氣。氫通過吸附和擴散進入4Cr13鋼內,會使4Cr13鋼出現氫脆現象。但由檢驗結果可知，4Cr13鋼連桿的失效形式為準解理斷裂，這與由氫脆所引起的沿晶斷裂形貌不一致。因此，化學鍍鎳工序中產生的氫不是連桿斷裂的原因。

經觀察發現，有些4Cr13鋼連桿在彎型工序后于90°彎角處出現微裂紋,測得這些連桿的硬度均偏高，而彎型工序之前需要對4Cr13鋼連桿進行退火處理，退火過程中的加熱速率過快導致其硬度偏高。因此，在退火過程中應控制加熱速率，使連桿的硬度降低，從而避免連桿在彎型工序中產生局部微裂紋而最終發生斷裂。

3 結 論

(1) 4Cr13鋼連桿在90°彎角內側發生脆性過載斷裂，斷裂形式為準解理斷裂。

(2) 4Cr13鋼連桿在90°彎角處的硬度偏高，同時倒角圓弧半徑偏小，使得連桿在彎型過程中于90°彎角內側易發生應力集中而形成微裂紋，并最終導致4Cr13鋼連桿在調試過程中因受力而發生斷裂；合理設計連桿結構，并在彎型工序前控制退火過程中的加熱速率，可避免4Cr13鋼連桿的斷裂。