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失效分析現場直擊——絕緣子鋼腳拉伸破壞負荷不合格原因分析

2019-09-17 09:22:20 作者：徐旋旋來源：《理化檢驗—物理分冊》分享至：

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

絕緣子上的拉伸負荷是由鋼帽、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彈性系統，絕緣子的強度由組成部分的形狀、尺寸、彈性以及其力學性能決定，鋼腳是其中的一個核心部件，承受主要的載荷。

事故背景

某公司生產的絕緣子鋼腳在進行拉伸破壞負荷試驗時發生低載荷斷裂，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→成品驗收，強度等級為530MPa，拉伸破壞負荷應不小于615kN。該鋼腳的制造過程中不經過任何熱處理，其強度以及拉伸破壞負荷完全靠45Mn2圓鋼的熱軋態力學性能和規格尺寸保證。

理化檢驗

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

斷裂發生在鋼腳的球頭與桿部交界處，整個球頭與桿部分離。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，長度約為整個斷口圓周的1/3，斷面1區域和球頭外表面顏色基本一致，為銀灰色；斷面2占整個斷口面積的大部分，可清晰見到斷裂產生的放射棱，且所有放射棱的收斂點為斷面1處，說明斷面1為整個斷口的斷裂源區。

斷口掃描電鏡（SEM）形貌見圖2，可見斷面1較平坦，斷面2呈現解理斷裂特征。經能譜分析（EDS）斷面1表面含有鋅元素，斷面2表面未發現鋅元素，說明斷面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化學成分分析

在斷裂鋼腳上取樣，使用德國超譜公司QSN750型直讀光譜儀進行化學成分分析，結果見表1，可見斷裂鋼腳的化學成分符合45Mn2鋼技術協議的要求。

表1 絕緣子鋼腳的化學成分（質量分數）％

3金相檢驗

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

圖3 斷口剖面形貌

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

圖4 鍍鋅層及鍛造流線形貌

這種現象使裂紋開口處（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＋網狀鐵素體，見圖6。

圖6 球頭的顯微組織形貌

分析與討論

絕緣子鋼腳的化學成分符合45Mn2鋼技術協議的要求，珠光體＋網狀鐵素體為45Mn2鋼熱軋狀態或正火處理狀態的正常組織，說明鋼腳球頭的基體顯微組織正常。

絕緣子鋼腳拉伸破壞負荷試驗斷裂發生在鋼腳的球頭與桿部交界處，球頭與桿部完全分離。整個斷口較為平齊，并且斷面分為兩部分：斷面1位于斷口邊緣，呈圓弧條帶形，長度約為整個斷口圓周的1/3，其色彩與球頭表面基本一致，為銀灰色；斷面2占整個斷口面積的大部分，可清晰見到斷裂產生的放射棱，微觀形貌呈解理斷裂特征，說明該斷面為脆性斷裂。并且斷面2所有放射棱的收斂點均為斷面1處，說明斷面1為整個斷口的斷裂源。金相檢驗表明，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，故宏觀檢驗可觀察到斷面1區域與球頭表面顏色一致，這些現象說明斷口中的斷面1區域在熱鍍鋅之前便已開裂，即熱鍍鋅之前鋼腳球頭與桿部交界處表面已經存在橫向裂紋。因絕緣子鋼腳球頭與桿部交界處存在橫向裂紋，鋼腳在拉伸破壞負荷試驗時受較大應力作用而產生脆性斷裂。

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

結論及建議

由于絕緣子鋼腳在加工鍛造球頭時在球頭與桿部交界處產生了折疊缺陷，該折疊缺陷在拉伸破壞負荷試驗時受較大應力作用而產生脆性開裂，導致鋼腳斷裂。

鍛造折疊的產生原因與模槽凸圓角半徑過小、模槽配合不當、金屬分配不合適、終鍛時變形不均勻等因素造成的金屬回流現象有關。建議根據折疊缺陷產生的實際原因采取相應的預防措施。

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