摘 要:在斷路器１０００~２０００次機(jī)械操作試驗(yàn)中,３０CrNi３合金鋼滲氮軸銷發(fā)生斷裂.通過化學(xué)成分分析、斷口分析、低倍檢驗(yàn)、金相檢驗(yàn)、力學(xué)性能測試的方法,對軸銷的斷裂原因進(jìn)行了分析.結(jié)果表明:該軸銷的斷裂性質(zhì)為雙向彎曲疲勞斷裂;軸銷材料滲氮層存在脈狀氮化物,內(nèi)部存在疏松、大尺寸夾雜物和氣泡缺陷,降低了材料的力學(xué)性能;在周期性旋轉(zhuǎn)彎曲力作用下,軸銷表面缺陷處出現(xiàn)裂紋并不斷擴(kuò)展,最終導(dǎo)致軸銷疲勞斷裂.
關(guān)鍵詞:３０CrNi３合金鋼;軸銷;機(jī)械操作試驗(yàn);缺陷;雙向彎曲疲勞斷裂
中圖分類號:TG１５７ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１７)０５Ｇ０３４９Ｇ０４
收稿日期:２０１６Ｇ０８Ｇ３１
AnalysisonFractureReasonsoftheAxisPinofOperationMechanism
forthe５５０kVBreaker
SUN Mingdao,LIUXi,GUOGuofang,LIUXiaofeng
(HenanPingzhiHighＧvoltageSwitchgearCo．,Ltd．,PingGaoGroup,Pingdingshan４６７０１３,China)
Abstract:The３０CrNi３alloysteelnitrideaxispinfracturedduring mechanicaloperationaltestingofthe
breakerfor１０００－２０００times．Thefracturereasonsoftheaxispin wereanalyzedbychemicalcomposition
analysis,fractureanalysis,macroexamination,metallographicexaminationand mechanicalpropertytesting．The
resultsshowthat:thefracturepropertyoftheaxispinwasthebiaxialbendingfatiguefracture;veinednitrides
existedinthenitridelayeroftheaxispinmaterial,andinteriordefectssuchasporosity,largeＧscaleinclusionsand
bubblesalsoexisted,whichreducedthemechanicalpropertyofthematerial;undertheactionofperiodicrotating
bendingforce,cracksappearedonthepositionofsurfacedefectsandconstantlyextended,andfinallyresultedinthe
fatiguefractureoftheaxispin．
Keywords:３０CrNi３alloysteel;axispin;mechanicaloperationaltesting;defect;biaxialbendingfatiguefracture
氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備(GIS)具有裝置結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、可靠性高、配置靈活、便于安裝、使用周期長、維護(hù)工作少等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于高壓輸電系統(tǒng).GIS斷路器進(jìn)行機(jī)械操作試驗(yàn)是為了保證開關(guān)裝置滿足規(guī)定的操作條件且機(jī)械聯(lián)鎖工作正常.依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)對 GIS斷路器進(jìn)行機(jī)械開斷特性出廠試驗(yàn),以驗(yàn)證開關(guān)裝置在操動(dòng)機(jī)構(gòu)的電源電壓和操作壓力規(guī)定的范圍內(nèi)是否能夠正確地合閘和分閘[１].
在某５５０kV 斷路器１０００~２０００次機(jī)械操作試驗(yàn)中,操作機(jī)構(gòu)中連接拐臂與操作桿的軸銷在開閘和合閘周期運(yùn)動(dòng)中發(fā)生斷裂,其軸銷裝配、斷裂位置及受力情況如圖 １ 所示.軸銷尺寸規(guī)格為直徑３０mm、長１４５ mm,材料為３０CrNi３合金鋼,經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理,軸銷表面進(jìn)行擴(kuò)散滲氮處理.為尋找軸銷早期斷裂的原因,筆者通過一系列理化檢驗(yàn)方法,對斷裂的軸銷及同批次未斷裂的軸銷進(jìn)行了調(diào)查分析,并提出相應(yīng)的預(yù)防措施[２].
１ 理化檢驗(yàn)
１．１ 化學(xué)成分分析
斷裂的軸銷基體材料為３０CrNi３合金鋼,對軸銷基體取樣,采用島津 PDA７０００型直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果見表１.由表１可知,該斷裂軸 銷 的 化 學(xué) 成 分 符 合 GB/T３０７７－２０１５ 的要求.
１．３ 低倍檢驗(yàn)
對斷裂軸銷橫向取樣,經(jīng)磨制、拋光后,放入腐蝕液(硝酸與鹽酸的體積比為１∶３)進(jìn)行酸浸試驗(yàn),直至顯示出宏觀缺陷.清洗后觀察試樣,其宏觀形貌如圖３(a)所示,可見橫截面存在有較多斑點(diǎn)狀疏松,這是由材料中不規(guī)則孔洞和夾雜物導(dǎo)致的.為進(jìn)一步分析缺陷產(chǎn)生原因,對同批次軸銷縱向取樣,進(jìn)行低倍酸浸試驗(yàn),觀察其宏觀形貌,如圖３(b)所示.可見縱截面有明顯發(fā)紋,這是夾雜物或氣泡在鋼的加工變形過程中沿加工方向延伸所致,其長度達(dá)到３mm.大尺寸帶狀分布夾雜物會嚴(yán)重影響材料的力學(xué)性能,尤其是疲勞強(qiáng)度[５Ｇ６].
１．４ 金相檢驗(yàn)
從軸銷斷裂部位截取橫向試樣,磨制、拋光后使用４％(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液進(jìn)行侵蝕,然后通過 OLYMPUSGX５１型金相顯微鏡進(jìn)行觀察,其顯微組織形貌如圖４所示.由圖４(a)可見,軸銷的滲氮層表層存在白亮層和脈狀氮化物,軸銷滲氮的化合物白亮層厚度為２~４μm,滲氮層深度(化合物層＋擴(kuò)散層)約為１２０~１３０μm,高于產(chǎn)品技術(shù)規(guī)定值(２０μm).由圖４(b)可見,軸銷的基體顯微組織為回火索氏體,并保持馬氏體位相[７Ｇ８].按照 GB/T６３９４－２００２«金屬平均晶粒度測定法»對軸銷組織的晶粒度進(jìn)行評定,其級別約為４．５級.
１．５ 力學(xué)性能測試
使用 HVSＧ５型顯微硬度計(jì)對軸銷斷口附近表面及 心 部 硬 度 進(jìn) 行 測 試,試 驗(yàn) 載 荷 為 ２．９４ N(０．３kgf),加載時(shí)間為１０s,結(jié)果顯示軸銷的表面硬度為 ７１０．５,７２４．２,７１７．６ HV０．３,心 部 硬 度 為３２０．０,３２０．０,３１５．２HV０．３.可以看出軸銷的表面
硬度和心部硬度 均 符 合 產(chǎn) 品 技 術(shù) 條 件 要 求(表 面硬度５００~７５０ HV,心部硬度２６０~３２５ HV),且表面硬度遠(yuǎn) 高 于 心 部 硬 度,這 是 由 于 軸 銷 表 面 進(jìn)行了滲氮處理.沿軸銷縱向取樣,試樣規(guī)格為１０mm×１０mm×５５mm,開 V 型 缺 口.使 用 BDＧ３００８ 型 沖 擊 試 驗(yàn)機(jī),在２０ ℃條件下,依據(jù) GB/T２２９－２００７«金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法»對軸銷基體材料進(jìn)行沖擊試驗(yàn).結(jié) 果 顯 示,軸 銷 的 沖 擊 吸 收 能 量 為 １１６,１１４J,而產(chǎn)品技術(shù)要求為１１８J.對比軸銷初次供貨時(shí)的沖擊吸收能量(１２８,１３８J),斷裂軸銷的沖擊吸收能量明顯低于初次試驗(yàn)的結(jié)果.
２ 分析及討論
由斷裂軸銷的宏觀夾雜物檢驗(yàn)結(jié)果可知,軸銷材料內(nèi)部存在疏松、大尺寸夾雜物和氣泡缺陷,降低了材料的沖擊性能和疲勞強(qiáng)度.軸銷的沖擊試驗(yàn)結(jié)果表明,缺陷的存在增加了材料脆性,導(dǎo)致沖擊吸收能量小于初次試驗(yàn)記錄的正常軸銷的沖擊吸收能量.軸銷基體材料的金相檢驗(yàn)結(jié)果表明,其滲氮層存在脆性較大的白亮層和脈狀氮化物,容易萌生微裂紋,成為疲勞裂紋源,顯微組織為回火索氏體,并保持馬氏體位相,可知材料的熱處理工藝正常,保證了軸銷基本的力學(xué)性能.斷口分析結(jié)果顯示軸銷發(fā)生了典型的疲勞斷裂,斷口包括裂紋源區(qū)、疲勞擴(kuò)展區(qū)、最終斷裂區(qū),有撕裂剪切唇特征[９].軸銷進(jìn)行往復(fù)弧線周期性運(yùn)動(dòng)時(shí),受到旋轉(zhuǎn)彎曲應(yīng)力,而軸銷材料內(nèi)存在疏松、大尺寸夾雜物和氣泡缺陷,在周期旋轉(zhuǎn)彎曲應(yīng)力的作用下,尤其是在大尺寸帶狀?yuàn)A雜物處容易產(chǎn)生沿晶開裂[１０],如圖５所示斷裂源處的沿晶裂紋花樣.軸銷表面可能存在微小加工刀紋、滲氮化合物層和外部磕碰缺陷,導(dǎo)致了裂紋的形成.但軸銷在操作１０００~２０００次過程中經(jīng)歷多次摩擦,因此還無法確定裂紋源的最初誘導(dǎo)因素.
軸銷承受周期性高應(yīng)力往復(fù)作用,并且開閘力大于合閘力,載荷不平衡,裂紋源 A 位置對側(cè)裂紋產(chǎn)生相對滯后,因此軸銷斷裂趨勢是由 A 位置及其對側(cè)逐步向中間推進(jìn)的.軸銷的顯微組織為回火索氏體,并保持馬氏體位相,具有較好的力學(xué)性能.在周期性載荷作用下,裂紋源緩慢逐步擴(kuò)展,并在推進(jìn)過程中形成疲勞紋路,呈現(xiàn)出偏心模式的橢圓貝殼狀形貌.最終軸銷在中心偏 A 位置對側(cè)處斷裂,這是由于 A 位置對側(cè)所受力相對較小,裂紋源起始晚且推進(jìn)速率低.
３ 結(jié)論及建議
該軸銷的斷裂失效形式為周期性高應(yīng)力往復(fù)作用引起的雙向彎曲疲勞斷裂.斷裂原因是軸銷材料滲氮層存在脈狀氮化物,內(nèi)部存在疏松、大尺寸夾雜物和氣泡缺陷,在周期性旋轉(zhuǎn)彎曲應(yīng)力的作用下產(chǎn)生沿晶開裂,軸銷表面可能存在微小加工刀紋、滲氮化合物層和外部磕碰缺陷,加速了裂紋源的形成.建議嚴(yán)格控制軸銷的原材料質(zhì)量,對購入原材料進(jìn)行宏觀組織檢查,控制疏松和夾雜物級別,避免使用帶有密集疏松和大尺寸帶狀?yuàn)A雜物缺陷的原材料;在加工生產(chǎn)中避免微小加工刀紋、滲氮化合物層的產(chǎn)生,并且在運(yùn)輸和搬運(yùn)過程中避免軸銷磕碰.
（文章來源：材料與測試網(wǎng)-理化檢驗(yàn)-物理分冊）