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失效分析現(xiàn)場(chǎng)直擊——絕緣子鋼腳拉伸破壞負(fù)荷不合格原因分析

2019-09-17 09:22:20 作者：徐旋旋來(lái)源：《理化檢驗(yàn)—物理分冊(cè)》分享至：

盤(pán)形懸式瓷絕緣子主要用于高壓架空輸配電線路中，起絕緣和固定導(dǎo)線作用。將多個(gè)陶瓷絕緣子組裝成絕緣子串用在不同電壓等級(jí)的輸配線路上，其所承受的工作載荷主要是沿軸向的拉伸負(fù)荷。

絕緣子上的拉伸負(fù)荷是由鋼帽、絕緣件頭部、鋼腳和鋼帽及其水泥膠合劑所承受，這些零部件組成了一個(gè)彈性系統(tǒng)，絕緣子的強(qiáng)度由組成部分的形狀、尺寸、彈性以及其力學(xué)性能決定，鋼腳是其中的一個(gè)核心部件，承受主要的載荷。

事故背景

某公司生產(chǎn)的絕緣子鋼腳在進(jìn)行拉伸破壞負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)發(fā)生低載荷斷裂，斷裂載荷為513kN。該絕緣子鋼腳材料為45Mn2圓鋼，規(guī)格為？32mm，制造工藝為：下料→高頻加熱鍛造兩頭的球頭及錐頭→熱鍍鋅→成品驗(yàn)收，強(qiáng)度等級(jí)為530MPa，拉伸破壞負(fù)荷應(yīng)不小于615kN。該鋼腳的制造過(guò)程中不經(jīng)過(guò)任何熱處理，其強(qiáng)度以及拉伸破壞負(fù)荷完全靠45Mn2圓鋼的熱軋態(tài)力學(xué)性能和規(guī)格尺寸保證。

理化檢驗(yàn)

1斷口分析

絕緣子鋼腳斷裂部位及斷口形貌如圖1所示，絕緣子鋼腳由3部分組成，即上部錐頭、中部圓桿、下部球頭。

圖1 絕緣子鋼腳及斷口宏觀形貌

斷裂發(fā)生在鋼腳的球頭與桿部交界處，整個(gè)球頭與桿部分離。斷口較為平齊，并且斷面分為兩部分：斷面1位于斷口邊緣，呈圓弧條帶形，長(zhǎng)度約為整個(gè)斷口圓周的1/3，斷面1區(qū)域和球頭外表面顏色基本一致，為銀灰色；斷面2占整個(gè)斷口面積的大部分，可清晰見(jiàn)到斷裂產(chǎn)生的放射棱，且所有放射棱的收斂點(diǎn)為斷面1處，說(shuō)明斷面1為整個(gè)斷口的斷裂源區(qū)。

斷口掃描電鏡（SEM）形貌見(jiàn)圖2，可見(jiàn)斷面1較平坦，斷面2呈現(xiàn)解理斷裂特征。經(jīng)能譜分析（EDS）斷面1表面含有鋅元素，斷面2表面未發(fā)現(xiàn)鋅元素，說(shuō)明斷面1在熱鍍鋅工序之前就已存在。

圖2 絕緣子鋼腳斷口SEM形貌及EDS譜

2化學(xué)成分分析

在斷裂鋼腳上取樣，使用德國(guó)超譜公司QSN750型直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1，可見(jiàn)斷裂鋼腳的化學(xué)成分符合45Mn2鋼技術(shù)協(xié)議的要求。

表1 絕緣子鋼腳的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）％

3金相檢驗(yàn)

在斷口斷裂源處沿軸向剖開(kāi)，剖面部位磨制、拋光后使用4％（體積分?jǐn)?shù)）硝酸酒精溶液浸蝕，其剖面形貌見(jiàn)圖3a），剖面斷裂源處放大形貌見(jiàn)圖3b）。

圖3 斷口剖面形貌

將剖面的斷裂源處使用ZEISS Axio Imager.M2m光學(xué)顯微鏡放大觀察，可見(jiàn)球頭表面及其斷口斷裂源處（即斷面1處）均存在鍍鋅層，見(jiàn)圖4，并可見(jiàn)鍛造流線由球頭表面向裂紋開(kāi)口處（即斷面1）彎曲，使球頭表層與裂紋開(kāi)口處的流線一致。

圖4 鍍鋅層及鍛造流線形貌

這種現(xiàn)象使裂紋開(kāi)口處（即斷面1）具有鍛造折疊的特征，如圖5所示。

圖5 鍛造流線示意圖

斷裂球頭基體顯微組織為珠光體＋網(wǎng)狀鐵素體，見(jiàn)圖6。

圖6 球頭的顯微組織形貌

分析與討論

絕緣子鋼腳的化學(xué)成分符合45Mn2鋼技術(shù)協(xié)議的要求，珠光體＋網(wǎng)狀鐵素體為45Mn2鋼熱軋狀態(tài)或正火處理狀態(tài)的正常組織，說(shuō)明鋼腳球頭的基體顯微組織正常。

絕緣子鋼腳拉伸破壞負(fù)荷試驗(yàn)斷裂發(fā)生在鋼腳的球頭與桿部交界處，球頭與桿部完全分離。整個(gè)斷口較為平齊，并且斷面分為兩部分：斷面1位于斷口邊緣，呈圓弧條帶形，長(zhǎng)度約為整個(gè)斷口圓周的1/3，其色彩與球頭表面基本一致，為銀灰色；斷面2占整個(gè)斷口面積的大部分，可清晰見(jiàn)到斷裂產(chǎn)生的放射棱，微觀形貌呈解理斷裂特征，說(shuō)明該斷面為脆性斷裂。并且斷面2所有放射棱的收斂點(diǎn)均為斷面1處，說(shuō)明斷面1為整個(gè)斷口的斷裂源。金相檢驗(yàn)表明，斷裂鋼腳球頭表面及其斷口斷裂源處（即斷面1處）均存在鍍鋅層，故宏觀檢驗(yàn)可觀察到斷面1區(qū)域與球頭表面顏色一致，這些現(xiàn)象說(shuō)明斷口中的斷面1區(qū)域在熱鍍鋅之前便已開(kāi)裂，即熱鍍鋅之前鋼腳球頭與桿部交界處表面已經(jīng)存在橫向裂紋。因絕緣子鋼腳球頭與桿部交界處存在橫向裂紋，鋼腳在拉伸破壞負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)受較大應(yīng)力作用而產(chǎn)生脆性斷裂。

由圖4和圖5可知，鍛造流線由球頭表面向裂紋開(kāi)口處（即斷面1）彎曲，使球頭表層與裂紋開(kāi)口處的流線一致，這種現(xiàn)象使裂紋開(kāi)口處（即斷面1）具有鍛造折疊的特征。由鋼腳制造工藝可知，球頭部位是經(jīng)熱鐓鍛加工形成的，這表明斷面1處裂紋是由鍛造折疊產(chǎn)生的。

結(jié)論及建議

由于絕緣子鋼腳在加工鍛造球頭時(shí)在球頭與桿部交界處產(chǎn)生了折疊缺陷，該折疊缺陷在拉伸破壞負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)受較大應(yīng)力作用而產(chǎn)生脆性開(kāi)裂，導(dǎo)致鋼腳斷裂。

鍛造折疊的產(chǎn)生原因與模槽凸圓角半徑過(guò)小、模槽配合不當(dāng)、金屬分配不合適、終鍛時(shí)變形不均勻等因素造成的金屬回流現(xiàn)象有關(guān)。建議根據(jù)折疊缺陷產(chǎn)生的實(shí)際原因采取相應(yīng)的預(yù)防措施。

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