舵面定力解錐斷裂分析

王楊譽 李劍玉

摘 要：舵面定力解錐在使用過程中發生斷裂，解錐所用材料為5CrW2Si。本研究對兩個斷裂的插腳零件進行了宏觀形貌觀察、化學成分分析、力學性能分析、斷口分析。實驗結果表明，斷裂原因為過載斷裂。其中一件零件化學成分不符合標準要求，斷裂的主要原因是人為操作不當。

關鍵詞：解錐 斷裂 5CrW2Si 過載 失效分析

Abstract： The control surface fixed screwdriver broke in use，the material of the fixed screwdiver is 5CrW2Si.In the research two broken components were analyzed by means of macro analysis， chemical consitituent analysis， mechanical property analysis， fracture analysis. The result shows that the cause of the rupture is overload fracture. The chemical consitituent of One parts doesnt meet the standard requirements.The main cause is that someone improperly manipulated the screwdriver.

Key words： the control surface;rupture;5CrW2Si;overload;failure analysis

2017年8月，中國某廠生產的兩件舵面定力解錐（以下簡稱解錐）在外場使用過程中發生斷裂。2件解錐手柄顏色不同，將紅色手柄的解錐標記為1#，藍色手柄的解錐標記為2#。斷裂的解錐材料要求為5CrW2Si，驗收依據為GB/T1299-2000，工藝要求硬度HRC50～54，表面發藍處理。我對2件解錐進行相關試驗分析，初步得出了斷裂原因。

一、理化檢驗

（一）斷口宏觀形貌觀察

通過體視顯微鏡對2件斷裂解錐斷口進行觀察，1#、2#解錐宏觀斷口形貌分別如圖1、圖2所示，斷面由源區、擴展區和終斷區組成。兩件解錐斷面高差均較大，斷面均較干凈，未見腐蝕產物。斷面均可觀察到撕裂棱線，通過棱線可判斷出斷裂源區位于解錐六角桿表面（解錐與緊固件的配合面），解錐受扭力作用而發生斷裂。

（二）斷口微觀分析

通過掃描電鏡對1#、2#解錐斷口進行微觀形貌觀察。

1#解錐斷口源區微觀形貌主要為淺韌窩，局部存在少量的準解理形貌。源區斷面存在摩擦痕跡，未見明顯冶金缺陷及腐蝕產物;擴展區與終斷區微觀形貌與源區相似，均為淺韌窩+少量準解理形貌，對源區成分進行能譜分析，未見異常元素。

2#解錐斷口的源區、擴展區和終斷區形貌與1#解錐斷口相似，斷面準解理形貌占比更大。源區成分，亦未見異常元素。

（三）化學成分分析

對2件斷裂解錐取樣后進行化學成分分析，結果見表1。結果表明1#解錐材料成分符合5CrW2Si鋼成分要求，2#解錐材料不符合。

（四）力學性能分析

對2件斷裂解錐取樣進行硬度檢測，測試結果見表2。結果表明1#解錐硬度滿足工藝要求，2#解錐硬度不符合工藝要求，超出工藝要求的上限。

（五）金相組織分析

于1#、2#解錐斷口附近取樣進行金相組織檢查。1#解錐金相組織主要為回火馬氏體+少量殘余奧氏體+極少量的小顆粒狀碳化物，如圖3所示;2#解錐金相組織為回火馬氏體+小顆粒狀碳化物+少量共晶塊狀碳化物+少量殘余奧氏體，如圖4所示。

二、分析與討論

化學成分測試結果顯示1#解錐材料成分符合5CrW2Si鋼，2#解錐材料成分不符合，從各元素含量初步判斷2#解錐材料應為CrWMn。

硬度檢測結果顯示1#解錐硬度滿足工藝要求，2#解錐硬度不符合工藝要求，超出工藝要求的上限。

金相組織檢查分析表明，1#解錐金相組織主要為回火馬氏體+少量殘余奧氏體+極少量的小顆粒狀碳化物，;2#解錐金相組織為回火馬氏體+小顆粒狀碳化物+少量共晶塊狀碳化物+少量殘余奧氏體。

2件斷裂解錐的斷口高差均較大，2個斷面均較干凈，未見明顯腐蝕產物，斷口表面可觀察到明顯的撕裂棱線，根據棱線方向判斷斷裂解錐受到扭力作用，斷裂源區位于舵面解錐六角桿與緊固件配合面。

2件解錐斷裂源區表面存在摩擦痕跡，未見明顯冶金缺陷及腐蝕產物，對源區成分進行能譜分析，未見異常元素，排除原材料缺陷與腐蝕因素造成的裂紋起源。

2件解錐斷口主要為淺韌窩+少量準解理的形貌特征，說明材料塑性較差。2#解錐斷口形貌與1#解錐斷口相比準解理形貌更多，說明其塑性更差。

韌窩是材料在微區范圍內塑性變形產生的顯微空洞，經形核、長大、聚集，最后相互連接而斷裂后，在斷口表面所留下的痕跡。而準解理斷裂是介于解理斷裂和韌窩斷裂之間的一種過渡斷裂形式。準解理斷口的宏觀形貌比較平整，基本上無宏觀塑性或宏觀塑性變形小，呈脆性特征。其微觀形貌有河流花樣、蛇狀花樣及韌窩與撕裂棱等。

對于同一種材料，當斷裂條件相同時，韌窩尺寸越大，則表明材料的塑性越好。通過掃描電鏡的圖片可以看出，斷口韌窩尺寸小且淺，并伴隨著準解理的形貌，所以塑性較差。

2件解錐原材料為工具鋼，工具鋼強度較高，塑性較差，一般情況下過載斷裂斷口呈淺韌窩+準解理形貌特征，與2件解錐斷口觀察結果一致，因此可以判斷2件解錐均發生了過載斷裂。

此外標準中對夾雜物沒有要求，而通過金相實驗發現，金相組織存在很多塑性夾雜物，這些非金屬夾雜降低了材料本身的性能，也可能是材料斷裂的一部分原因。

三、結論

（1）2件斷裂解錐斷裂性質為過載斷裂。

（2）1#解錐材料成分符合5CrW2Si鋼的成分要求，2#解錐材料成分不符合。

（3）1#解錐硬度符合工藝要求，2#解錐硬度不符合工藝要求，超出工藝要求上限。

（4）1#解錐各項檢測結果都符合標準要求，所以應該是人為操作不當，施力過大，導致的過載斷裂;2#解錐斷口也不是脆性斷口，所以可以判斷是人為施力過大，導致的過載斷裂。

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