分享：中碳合金钢驱动拐臂断裂原因

高压开关在输变配电系统中起着至关重要的作用。高压开关由开断元件、支撑绝缘件、传动元件、基座及操作机构等基本部分组成。以断路器为例，其开断元件系统主要包含灭弧室、触头系统、辅助触头系统、导电回路等。常见的传动元件有连杆、轴、齿轮、拐臂等，其主要功能是将操作命令传递给开断元件的触头等部件，因此传动元件对高压开关的安全可靠运行起着至关重要的作用。 

某机构产品更新换代前，在验证操作机构性能时出现异常报警，连续操作中断，经检查发现该机构辅助开关驱动拐臂断裂（见图1）。该驱动拐臂材料为35CrMo钢，35CrMo钢为合金结构钢，具有优异的强度、韧性和焊接性能[1]，广泛应用于汽车制造、石油化工、工程机械、压力容器等行业。笔者采用一系列理化检验方法[2]对拐臂断裂的原因进行分析，并研究了硬度、表面处理对材料性能的影响，以避免该类问题再次发生。 

图  1  断裂拐臂的宏观形貌

1.   理化检验

1.1   宏观观察

拐臂断口的宏观形貌如图2所示。由图2可知：驱动拐臂断裂位置为凹槽根部，该凹槽为线切割加工而成，凹槽呈方形，根部为直角，表面经过电镀彩锌处理。 

图  2  拐臂断口的宏观形貌

1.2   微观分析

利用数码显微镜对断口A进行观察，结果如图3所示。由图3可知：断口A分为裂纹源区、扩展区和终断区，裂纹源区位于凹槽内直角位置，可见金属光泽的闪光小刻面，呈结晶状，断口平整，无明显的宏观塑形变形[3]；扩展区和终断区表面较为粗糙，呈结晶状，断口A呈脆性断裂形貌。 

图  3  断口A的微观形貌

在断口A裂纹源截面处截取金相试样，采用光学显微镜对其进行观察，结果如图4所示。由图4可知：试样表面存在镀锌层，镀锌层厚度为2.59~3.43 μm，试样的显微组织为回火索氏体[4]，符合调质处理要求。 

图  4  断口A裂纹源区的微观形貌

将断口A进行乙醇超声波清洗，利用扫描电镜（SEM）对其断口A进行观察，结果如图5所示。由图5可知：断口呈多面体“冰糖块状”沿晶断裂特征，晶粒轮廓鲜明，晶界上可见明显鸡爪痕花样[5-6]，符合氢脆断裂特征。 

图  5  断口A的SEM形貌

1.3   化学成分分析

将断裂拐臂表面镀锌层打磨掉后，采用直读式光谱仪对拐臂进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知：断裂拐臂的化学成分不符合GB/T 3077—2015 《合金结构钢》对35CrMo钢的要求，符合标准GB/T 3077—2015对42CrMo钢的要求。 

1.4   力学性能测试

按照GB/T 231.1—2018 《金属材料 布氏硬度试验 第1部分：试验方法》对断裂拐臂进行布氏硬度测试[7]，结果为360，368，365 HBW，不符合35CrMo钢的调质处理要求（269~331 HBW），符合42CrMo钢的调质处理要求（353~381 HBW）。 

为了分析氢元素含量对零部件的影响[8]，选用试样材料为35CrMo钢和42CrMo钢，热处理方式为淬火+回火，硬度分别为269~331 HBW和353~381 HBW，表面处理方式为电镀锌，膜厚度为5 μm。对试样进行去氢处理，去氢处理温度为190 ℃，去氢处理时间为3 h。制备去氢间隔时间分别为1，2，3，4，5 h的试样，以及不去氢试样，共6组。 

35CrMo钢在不同去氢处理工艺、硬度下的氢元素质量分数、力学性能测试结果如表2所示。由表2可知：试样在不去氢情况下的氢元素含量最多，去氢间隔1 h内氢元素含量最少；随着去氢间隔时间的延长，氢元素质量分数逐渐增大；去氢间隔时间对试样的抗拉强度影响不大，但随着硬度的增大，试样的抗拉强度增大；在硬度为269~331 HBW时，试样的断后伸长率为17.6%~19.0%，去氢间隔时间对其影响不大；在硬度为353~381 HBW条件下，试样的断后伸长率随着氢元素含量的增加而降低，在不去氢的情况下，试样的断后伸长率最小，为10.0%，低于标准GB/T 3077—2015的要求（不小于≥12%）；在硬度为269~331 HBW条件下，试样的冲击吸收能量与去氢间隔时间的关系不大，在硬度为353~381 HBW条件下，试样的冲击吸收能量随着氢元素含量的增加而减小，在不去氢的情况下，试样的冲击吸收能量最小，去氢间隔时间为5 h时，试样的冲击吸收能量为60 J，低于标准GB/T 3077—2015的要求（不小于63 J），因此建议在间隔4 h内进行去氢处理。 

42CrMo钢在不同去氢处理工艺、硬度下的氢元素质量分数、力学性能测试结果如表3所示。由表3可知：随着去氢间隔时间的延长，试样的氢元素含量逐渐增多；试样的硬度越大，抗拉强度越大；在硬度为269~331 HBW条件下，试样的断后伸长率为16.0%~20.0%，随着去氢间隔时间的延长，试样的断后伸长率略有减小；在硬度为353~381 HBW条件下，试样的断后伸长率随氢元素含量的增加而降低，在不去氢的情况下，试样的断后伸长率最小，去氢间隔时间为4 h时，试样的断后伸长率为10.0%，低于标准GB/T 3077—2015的要求（不小于≥12%），建议在3 h内进行去氢处理；试样的冲击吸收能量随着去氢间隔时间的延长而减小。 

2.   综合分析

由上述理化检验结果可知：断裂拐臂的化学成分、硬度不符合标准要求，材料由35CrMo钢更改为42CrMo钢，断口呈结晶状，断口平整，无明显的宏观塑形变形，断口微观形貌呈多面体“冰糖块状”沿晶断裂特征，晶粒轮廓鲜明，晶界上可见明显鸡爪痕花样，呈典型氢脆沿晶断裂特征。造成氢脆的主要原因为制造过程中去氢不及时，或表面处理后未进行去氢处理，最终导致氢元素扩散至材料中，造成拐臂断裂。 

电镀锌表面处理后，碳元素质量分数为0.32%~0.45%的合金结构钢在硬度为269~331 HBW条件下，材料的抗拉强度、断后伸长率、冲击吸收能量不受去氢处理的影响，可不进行去氢处理。在硬度为353~381 HBW条件下，对于碳元素质量分数为0.32%~0.40%的合金结构钢，应在4 h内进行去氢处理；对于碳元素质量分数为0.38%~0.45%的合金结构钢，应在3 h内进行去氢处理，否则会增加材料氢脆断裂的风险[9-11]。 

3.   结论

断裂拐臂的材料由35CrMo钢更改为42CrMo钢，材料的去氢处理不当，导致氢元素扩散至材料中，引起材料发生氢脆，最终导致拐臂断裂。 

在生产制造零部件时，如变更零部件的材料，则需综合考虑材料的硬度、表面处理等因素，防止高硬度零件在进行表面处理时，因电镀时溶入金属中的氢原子富集在晶格缺陷（如空位、位错、晶界、夹杂等）处未及时去除，造成氢脆问题。

文章来源——材料与测试网