失效分析现场直击——绝缘子钢脚拉伸破坏负荷不合格原因分析
2019-09-17 09:22:20
作者：徐旋旋 来源：《理化检验—物理分册》
盘形悬式瓷绝缘子主要用于高压架空输配电线路中，起绝缘和固定导线作用。将多个陶瓷绝缘子组装成绝缘子串用在不同电压等级的输配线路上，其所承受的工作载荷主要是沿轴向的拉伸负荷。
绝缘子上的拉伸负荷是由钢帽、绝缘件头部、钢脚和钢帽及其水泥胶合剂所承受，这些零部件组成了一个弹性系统，绝缘子的强度由组成部分的形状、尺寸、弹性以及其力学性能决定，钢脚是其中的一个核心部件，承受主要的载荷。
事故背景
某公司生产的绝缘子钢脚在进行拉伸破坏负荷试验时发生低载荷断裂，断裂载荷为513kN。该绝缘子钢脚材料为45Mn2圆钢，规格为？32mm，制造工艺为：下料→高频加热锻造两头的球头及锥头→热镀锌→成品验收，强度等级为530MPa，拉伸破坏负荷应不小于615kN。该钢脚的制造过程中不经过任何热处理，其强度以及拉伸破坏负荷完全靠45Mn2圆钢的热轧态力学性能和规格尺寸保证。
理化检验
1断口分析
绝缘子钢脚断裂部位及断口形貌如图1所示，绝缘子钢脚由3部分组成，即上部锥头、中部圆杆、下部球头。
图1 绝缘子钢脚及断口宏观形貌
断裂发生在钢脚的球头与杆部交界处，整个球头与杆部分离。断口较为平齐，并且断面分为两部分：断面1位于断口边缘，呈圆弧条带形，长度约为整个断口圆周的1/3，断面1区域和球头外表面颜色基本一致，为银灰色；断面2占整个断口面积的大部分，可清晰见到断裂产生的放射棱，且所有放射棱的收敛点为断面1处，说明断面1为整个断口的断裂源区。
断口扫描电镜（SEM）形貌见图2，可见断面1较平坦，断面2呈现解理断裂特征。经能谱分析（EDS）断面1表面含有锌元素，断面2表面未发现锌元素，说明断面1在热镀锌工序之前就已存在。
图2 绝缘子钢脚断口SEM形貌及EDS谱
2化学成分分析
在断裂钢脚上取样，使用德国超谱公司QSN750型直读光谱仪进行化学成分分析，结果见表1，可见断裂钢脚的化学成分符合45Mn2钢技术协议的要求。
表1 绝缘子钢脚的化学成分（质量分数）％
3金相检验
在断口断裂源处沿轴向剖开，剖面部位磨制、抛光后使用4％（体积分数）硝酸酒精溶液浸蚀，其剖面形貌见图3a），剖面断裂源处放大形貌见图3b）。
图3 断口剖面形貌
将剖面的断裂源处使用ZEISS Axio Imager.M2m光学显微镜放大观察，可见球头表面及其断口断裂源处（即断面1处）均存在镀锌层，见图4，并可见锻造流线由球头表面向裂纹开口处（即断面1）弯曲，使球头表层与裂纹开口处的流线一致。
图4 镀锌层及锻造流线形貌
这种现象使裂纹开口处（即断面1）具有锻造折叠的特征，如图5所示。
图5 锻造流线示意图
断裂球头基体显微组织为珠光体＋网状铁素体，见图6。
图6 球头的显微组织形貌
分析与讨论
绝缘子钢脚的化学成分符合45Mn2钢技术协议的要求，珠光体＋网状铁素体为45Mn2钢热轧状态或正火处理状态的正常组织，说明钢脚球头的基体显微组织正常。
绝缘子钢脚拉伸破坏负荷试验断裂发生在钢脚的球头与杆部交界处，球头与杆部完全分离。整个断口较为平齐，并且断面分为两部分：断面1位于断口边缘，呈圆弧条带形，长度约为整个断口圆周的1/3，其色彩与球头表面基本一致，为银灰色；断面2占整个断口面积的大部分，可清晰见到断裂产生的放射棱，微观形貌呈解理断裂特征，说明该断面为脆性断裂。并且断面2所有放射棱的收敛点均为断面1处，说明断面1为整个断口的断裂源。金相检验表明，断裂钢脚球头表面及其断口断裂源处（即断面1处）均存在镀锌层，故宏观检验可观察到断面1区域与球头表面颜色一致，这些现象说明断口中的断面1区域在热镀锌之前便已开裂，即热镀锌之前钢脚球头与杆部交界处表面已经存在横向裂纹。因绝缘子钢脚球头与杆部交界处存在横向裂纹，钢脚在拉伸破坏负荷试验时受较大应力作用而产生脆性断裂。
由图4和图5可知，锻造流线由球头表面向裂纹开口处（即断面1）弯曲，使球头表层与裂纹开口处的流线一致，这种现象使裂纹开口处（即断面1）具有锻造折叠的特征。由钢脚制造工艺可知，球头部位是经热镦锻加工形成的，这表明断面1处裂纹是由锻造折叠产生的。
结论及建议
由于绝缘子钢脚在加工锻造球头时在球头与杆部交界处产生了折叠缺陷，该折叠缺陷在拉伸破坏负荷试验时受较大应力作用而产生脆性开裂，导致钢脚断裂。
锻造折叠的产生原因与模槽凸圆角半径过小、模槽配合不当、金属分配不合适、终锻时变形不均匀等因素造成的金属回流现象有关。建议根据折叠缺陷产生的实际原因采取相应的预防措施。
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