舵面定力解锥断裂分析

王杨誉 李剑玉

摘 要：舵面定力解锥在使用过程中发生断裂，解锥所用材料为5CrW2Si。本研究对两个断裂的插脚零件进行了宏观形貌观察、化学成分分析、力学性能分析、断口分析。实验结果表明，断裂原因为过载断裂。其中一件零件化学成分不符合标准要求，断裂的主要原因是人为操作不当。

关键词：解锥 断裂 5CrW2Si 过载 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，中國某厂生产的两件舵面定力解锥（以下简称解锥）在外场使用过程中发生断裂。2件解锥手柄颜色不同，将红色手柄的解锥标记为1#，蓝色手柄的解锥标记为2#。断裂的解锥材料要求为5CrW2Si，验收依据为GB/T1299-2000，工艺要求硬度HRC50～54，表面发蓝处理。我对2件解锥进行相关试验分析，初步得出了断裂原因。

一、理化检验

（一）断口宏观形貌观察

通过体视显微镜对2件断裂解锥断口进行观察，1#、2#解锥宏观断口形貌分别如图1、图2所示，断面由源区、扩展区和终断区组成。两件解锥断面高差均较大，断面均较干净，未见腐蚀产物。断面均可观察到撕裂棱线，通过棱线可判断出断裂源区位于解锥六角杆表面（解锥与紧固件的配合面），解锥受扭力作用而发生断裂。

（二）断口微观分析

通过扫描电镜对1#、2#解锥断口进行微观形貌观察。

1#解锥断口源区微观形貌主要为浅韧窝，局部存在少量的准解理形貌。源区断面存在摩擦痕迹，未见明显冶金缺陷及腐蚀产物;扩展区与终断区微观形貌与源区相似，均为浅韧窝+少量准解理形貌，对源区成分进行能谱分析，未见异常元素。

2#解锥断口的源区、扩展区和终断区形貌与1#解锥断口相似，断面准解理形貌占比更大。源区成分，亦未见异常元素。

（三）化学成分分析

对2件断裂解锥取样后进行化学成分分析，结果见表1。结果表明1#解锥材料成分符合5CrW2Si钢成分要求，2#解锥材料不符合。

（四）力学性能分析

对2件断裂解锥取样进行硬度检测，测试结果见表2。结果表明1#解锥硬度满足工艺要求，2#解锥硬度不符合工艺要求，超出工艺要求的上限。

（五）金相组织分析

于1#、2#解锥断口附近取样进行金相组织检查。1#解锥金相组织主要为回火马氏体+少量残余奥氏体+极少量的小颗粒状碳化物，如图3所示;2#解锥金相组织为回火马氏体+小颗粒状碳化物+少量共晶块状碳化物+少量残余奥氏体，如图4所示。

二、分析与讨论

化学成分测试结果显示1#解锥材料成分符合5CrW2Si钢，2#解锥材料成分不符合，从各元素含量初步判断2#解锥材料应为CrWMn。

硬度检测结果显示1#解锥硬度满足工艺要求，2#解锥硬度不符合工艺要求，超出工艺要求的上限。

金相组织检查分析表明，1#解锥金相组织主要为回火马氏体+少量残余奥氏体+极少量的小颗粒状碳化物，;2#解锥金相组织为回火马氏体+小颗粒状碳化物+少量共晶块状碳化物+少量残余奥氏体。

2件断裂解锥的断口高差均较大，2个断面均较干净，未见明显腐蚀产物，断口表面可观察到明显的撕裂棱线，根据棱线方向判断断裂解锥受到扭力作用，断裂源区位于舵面解锥六角杆与紧固件配合面。

2件解锥断裂源区表面存在摩擦痕迹，未见明显冶金缺陷及腐蚀产物，对源区成分进行能谱分析，未见异常元素，排除原材料缺陷与腐蚀因素造成的裂纹起源。

2件解锥断口主要为浅韧窝+少量准解理的形貌特征，说明材料塑性较差。2#解锥断口形貌与1#解锥断口相比准解理形貌更多，说明其塑性更差。

韧窝是材料在微区范围内塑性变形产生的显微空洞，经形核、长大、聚集，最后相互连接而断裂后，在断口表面所留下的痕迹。而准解理断裂是介于解理断裂和韧窝断裂之间的一种过渡断裂形式。准解理断口的宏观形貌比较平整，基本上无宏观塑性或宏观塑性变形小，呈脆性特征。其微观形貌有河流花样、蛇状花样及韧窝与撕裂棱等。

对于同一种材料，当断裂条件相同时，韧窝尺寸越大，则表明材料的塑性越好。通过扫描电镜的图片可以看出，断口韧窝尺寸小且浅，并伴随着准解理的形貌，所以塑性较差。

2件解锥原材料为工具钢，工具钢强度较高，塑性较差，一般情况下过载断裂断口呈浅韧窝+准解理形貌特征，与2件解锥断口观察结果一致，因此可以判断2件解锥均发生了过载断裂。

此外标准中对夹杂物没有要求，而通过金相实验发现，金相组织存在很多塑性夹杂物，这些非金属夹杂降低了材料本身的性能，也可能是材料断裂的一部分原因。

三、结论

（1）2件断裂解锥断裂性质为过载断裂。

（2）1#解锥材料成分符合5CrW2Si钢的成分要求，2#解锥材料成分不符合。

（3）1#解锥硬度符合工艺要求，2#解锥硬度不符合工艺要求，超出工艺要求上限。

（4）1#解锥各项检测结果都符合标准要求，所以应该是人为操作不当，施力过大，导致的过载断裂;2#解锥断口也不是脆性断口，所以可以判断是人为施力过大，导致的过载断裂。

参考文献：

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