圖 1 斷裂拐臂的宏觀形貌
分享：中碳合金鋼驅(qū)動拐臂斷裂原因
高壓開關(guān)在輸變配電系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。高壓開關(guān)由開斷元件、支撐絕緣件、傳動元件、基座及操作機構(gòu)等基本部分組成。以斷路器為例，其開斷元件系統(tǒng)主要包含滅弧室、觸頭系統(tǒng)、輔助觸頭系統(tǒng)、導(dǎo)電回路等。常見的傳動元件有連桿、軸、齒輪、拐臂等，其主要功能是將操作命令傳遞給開斷元件的觸頭等部件，因此傳動元件對高壓開關(guān)的安全可靠運行起著至關(guān)重要的作用。
某機構(gòu)產(chǎn)品更新?lián)Q代前，在驗證操作機構(gòu)性能時出現(xiàn)異常報警，連續(xù)操作中斷，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)該機構(gòu)輔助開關(guān)驅(qū)動拐臂斷裂（見圖1）。該驅(qū)動拐臂材料為35CrMo鋼，35CrMo鋼為合金結(jié)構(gòu)鋼，具有優(yōu)異的強度、韌性和焊接性能[1]，廣泛應(yīng)用于汽車制造、石油化工、工程機械、壓力容器等行業(yè)。筆者采用一系列理化檢驗方法[2]對拐臂斷裂的原因進行分析，并研究了硬度、表面處理對材料性能的影響，以避免該類問題再次發(fā)生。
1. 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
拐臂斷口的宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知：驅(qū)動拐臂斷裂位置為凹槽根部，該凹槽為線切割加工而成，凹槽呈方形，根部為直角，表面經(jīng)過電鍍彩鋅處理。
圖 2 拐臂斷口的宏觀形貌
1.2 微觀分析
利用數(shù)碼顯微鏡對斷口A進行觀察，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：斷口A分為裂紋源區(qū)、擴展區(qū)和終斷區(qū)，裂紋源區(qū)位于凹槽內(nèi)直角位置，可見金屬光澤的閃光小刻面，呈結(jié)晶狀，斷口平整，無明顯的宏觀塑形變形[3]；擴展區(qū)和終斷區(qū)表面較為粗糙，呈結(jié)晶狀，斷口A呈脆性斷裂形貌。
圖 3 斷口A的微觀形貌
在斷口A裂紋源截面處截取金相試樣，采用光學(xué)顯微鏡對其進行觀察，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：試樣表面存在鍍鋅層，鍍鋅層厚度為2.59~3.43 μm，試樣的顯微組織為回火索氏體[4]，符合調(diào)質(zhì)處理要求。
圖 4 斷口A裂紋源區(qū)的微觀形貌
將斷口A進行乙醇超聲波清洗，利用掃描電鏡（SEM）對其斷口A進行觀察，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：斷口呈多面體“冰糖塊狀”沿晶斷裂特征，晶粒輪廓鮮明，晶界上可見明顯雞爪痕花樣[5-6]，符合氫脆斷裂特征。
圖 5 斷口A的SEM形貌
1.3 化學(xué)成分分析
將斷裂拐臂表面鍍鋅層打磨掉后，采用直讀式光譜儀對拐臂進行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。由表1可知：斷裂拐臂的化學(xué)成分不符合GB/T 3077—2015 《合金結(jié)構(gòu)鋼》對35CrMo鋼的要求，符合標準GB/T 3077—2015對42CrMo鋼的要求。
Table 1. 斷裂拐臂的化學(xué)成分分析結(jié)果
| 項目 | 質(zhì)量分數(shù) | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| C | Si | Mn | Mo | Cr | P | S | Ni | Cu | |
| 實測值1 | 0.435 | 0.179 | 0.631 | 0.166 | 1.011 | 0.008 | 0.001 | 0.032 | 0.021 |
| 實測值2 | 0.445 | 0.186 | 0.631 | 0.174 | 1.028 | 0.009 | 0.001 | 0.032 | 0.020 |
| 實測值3 | 0.444 | 0.191 | 0.638 | 0.171 | 1.038 | 0.008 | 0.001 | 0.033 | 0.020 |
| 標準值（35CrMo鋼） | 0.32~0.40 | 0.17~0.37 | 0.40~0.70 | 0.15~0.25 | 0.80~1.10 | ≤0.03 | ≤0.03 | ≤0.3 | ≤0.3 |
| 標準值（42CrMo鋼） | 0.38~0.45 | 0.17~0.37 | 0.50~0.80 | 0.15~0.25 | 0.90~1.20 | ≤0.03 | ≤0.03 | ≤0.3 | ≤0.3 |
1.4 力學(xué)性能測試
按照GB/T 231.1—2018 《金屬材料 布氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》對斷裂拐臂進行布氏硬度測試[7]，結(jié)果為360，368，365 HBW，不符合35CrMo鋼的調(diào)質(zhì)處理要求（269~331 HBW），符合42CrMo鋼的調(diào)質(zhì)處理要求（353~381 HBW）。
為了分析氫元素含量對零部件的影響[8]，選用試樣材料為35CrMo鋼和42CrMo鋼，熱處理方式為淬火+回火，硬度分別為269~331 HBW和353~381 HBW，表面處理方式為電鍍鋅，膜厚度為5 μm。對試樣進行去氫處理，去氫處理溫度為190 ℃，去氫處理時間為3 h。制備去氫間隔時間分別為1，2，3，4，5 h的試樣，以及不去氫試樣，共6組。
35CrMo鋼在不同去氫處理工藝、硬度下的氫元素質(zhì)量分數(shù)、力學(xué)性能測試結(jié)果如表2所示。由表2可知：試樣在不去氫情況下的氫元素含量最多，去氫間隔1 h內(nèi)氫元素含量最少；隨著去氫間隔時間的延長，氫元素質(zhì)量分數(shù)逐漸增大；去氫間隔時間對試樣的抗拉強度影響不大，但隨著硬度的增大，試樣的抗拉強度增大；在硬度為269~331 HBW時，試樣的斷后伸長率為17.6%~19.0%，去氫間隔時間對其影響不大；在硬度為353~381 HBW條件下，試樣的斷后伸長率隨著氫元素含量的增加而降低，在不去氫的情況下，試樣的斷后伸長率最小，為10.0%，低于標準GB/T 3077—2015的要求（不小于≥12%）；在硬度為269~331 HBW條件下，試樣的沖擊吸收能量與去氫間隔時間的關(guān)系不大，在硬度為353~381 HBW條件下，試樣的沖擊吸收能量隨著氫元素含量的增加而減小，在不去氫的情況下，試樣的沖擊吸收能量最小，去氫間隔時間為5 h時，試樣的沖擊吸收能量為60 J，低于標準GB/T 3077—2015的要求（不小于63 J），因此建議在間隔4 h內(nèi)進行去氫處理。
Table 2. 35CrMo鋼在不同去氫處理工藝、硬度下的氫元素質(zhì)量分數(shù)、力學(xué)性能測試結(jié)果
| 去氫處理工藝 | 硬度/HBW | 氫元素質(zhì)量分數(shù)/% | 抗拉強度/MPa | 斷后伸長率/% | 沖擊吸收能量/J |
|---|---|---|---|---|---|
| 間隔時間1 h | 269~331 | 0.70 | 945.0 | 19.0 | 167 |
| 353~381 | 0.85 | 1 137.0 | 15.0 | 93 | |
| 間隔時間2 h | 269~331 | 0.80 | 917.0 | 19.0 | 165 |
| 353~381 | 0.95 | 1 135.0 | 16.0 | 93 | |
| 間隔時間3 h | 269~331 | 0.70 | 922.5 | 18.0 | 160 |
| 353~381 | 1.00 | 1 150.0 | 15.0 | 82 | |
| 間隔時間4 h | 269~331 | 0.80 | 932.0 | 18.0 | 163 |
| 353~381 | 1.05 | 1 150.0 | 14.0 | 75 | |
| 間隔時間5 h | 269~331 | 0.90 | 930.0 | 18.0 | 161 |
| 353~381 | 1.05 | 1 132.0 | 12.0 | 60 | |
| 不去氫 | 269~331 | 1.15 | 930.0 | 17.5 | 160 |
| 353~381 | 1.25 | 1 150.0 | 10.0 | 55 |
42CrMo鋼在不同去氫處理工藝、硬度下的氫元素質(zhì)量分數(shù)、力學(xué)性能測試結(jié)果如表3所示。由表3可知：隨著去氫間隔時間的延長，試樣的氫元素含量逐漸增多；試樣的硬度越大，抗拉強度越大；在硬度為269~331 HBW條件下，試樣的斷后伸長率為16.0%~20.0%，隨著去氫間隔時間的延長，試樣的斷后伸長率略有減??；在硬度為353~381 HBW條件下，試樣的斷后伸長率隨氫元素含量的增加而降低，在不去氫的情況下，試樣的斷后伸長率最小，去氫間隔時間為4 h時，試樣的斷后伸長率為10.0%，低于標準GB/T 3077—2015的要求（不小于≥12%），建議在3 h內(nèi)進行去氫處理；試樣的沖擊吸收能量隨著去氫間隔時間的延長而減小。
Table 3. 42CrMo鋼在不同去氫處理工藝、硬度下的氫元素質(zhì)量分數(shù)、力學(xué)性能測試結(jié)果
| 去氫處理工藝 | 硬度/HBW | 氫元素質(zhì)量分數(shù)/% | 抗拉強度/MPa | 斷后伸長率/% | 沖擊吸收能量/J |
|---|---|---|---|---|---|
| 間隔時間1 h | 269~331 | 0.80 | 945 | 20.0 | 164 |
| 353~381 | 0.70 | 1 155 | 14.0 | 92 | |
| 間隔時間2 h | 269~331 | 0.80 | 955 | 19.5 | 164 |
| 353~381 | 0.70 | 1 155 | 14.5 | 91 | |
| 間隔時間3 h | 269~331 | 0.85 | 947 | 19.0 | 160 |
| 353~381 | 0.65 | 1 157 | 12.0 | 80 | |
| 間隔時間4 h | 269~331 | 1.00 | 960 | 18.5 | 165 |
| 353~381 | 0.75 | 1 142 | 10.0 | 73 | |
| 間隔時間5 h | 269~331 | 1.05 | 957 | 16.0 | 160 |
| 353~381 | 1.20 | 1 157 | 9.5 | 57 | |
| 不去氫 | 269~331 | 1.15 | 952 | 16.0 | 161 |
| 353~381 | 1.20 | 1 147 | 9.0 | 55 |
2. 綜合分析
由上述理化檢驗結(jié)果可知：斷裂拐臂的化學(xué)成分、硬度不符合標準要求，材料由35CrMo鋼更改為42CrMo鋼，斷口呈結(jié)晶狀，斷口平整，無明顯的宏觀塑形變形，斷口微觀形貌呈多面體“冰糖塊狀”沿晶斷裂特征，晶粒輪廓鮮明，晶界上可見明顯雞爪痕花樣，呈典型氫脆沿晶斷裂特征。造成氫脆的主要原因為制造過程中去氫不及時，或表面處理后未進行去氫處理，最終導(dǎo)致氫元素擴散至材料中，造成拐臂斷裂。
電鍍鋅表面處理后，碳元素質(zhì)量分數(shù)為0.32%~0.45%的合金結(jié)構(gòu)鋼在硬度為269~331 HBW條件下，材料的抗拉強度、斷后伸長率、沖擊吸收能量不受去氫處理的影響，可不進行去氫處理。在硬度為353~381 HBW條件下，對于碳元素質(zhì)量分數(shù)為0.32%~0.40%的合金結(jié)構(gòu)鋼，應(yīng)在4 h內(nèi)進行去氫處理；對于碳元素質(zhì)量分數(shù)為0.38%~0.45%的合金結(jié)構(gòu)鋼，應(yīng)在3 h內(nèi)進行去氫處理，否則會增加材料氫脆斷裂的風(fēng)險[9-11]。
3. 結(jié)論
斷裂拐臂的材料由35CrMo鋼更改為42CrMo鋼，材料的去氫處理不當(dāng)，導(dǎo)致氫元素擴散至材料中，引起材料發(fā)生氫脆，最終導(dǎo)致拐臂斷裂。
在生產(chǎn)制造零部件時，如變更零部件的材料，則需綜合考慮材料的硬度、表面處理等因素，防止高硬度零件在進行表面處理時，因電鍍時溶入金屬中的氫原子富集在晶格缺陷（如空位、位錯、晶界、夾雜等）處未及時去除，造成氫脆問題。
文章來源——材料與測試網(wǎng)
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