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分享•₪✘✘:550kV斷路器操作機構軸銷的斷裂原因分析

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瀏覽•₪✘✘:- 釋出日期•₪✘✘:2021-08-26 11:10:59【

摘 要:在斷路器1000~2000次機械操作試驗中,30CrNi3合金鋼滲氮軸銷發生斷裂.透過化學成分分析▩·•│、斷口分析▩·•│、低倍檢驗▩·•│、金相檢驗▩·•│、力學效能測試的方法,對軸銷的斷裂原因進行了分析.結果表明:該軸銷的斷裂性質為雙向彎曲疲勞斷裂;軸銷材料滲氮層存在脈狀氮化物,內部存在疏鬆▩·•│、大尺寸夾雜物和氣泡缺陷,降低了材料的力學效能;在週期性旋轉彎曲力作用下,軸銷表面缺陷處出現裂紋並不斷擴充套件,最終導致軸銷疲勞斷裂.

關鍵詞:30CrNi3合金鋼;軸銷;機械操作試驗;缺陷;雙向彎曲疲勞斷裂


中圖分類號:TG157 文獻標誌碼: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裝置(GIS)具有裝置結構緊湊▩·•│、佔地面積小▩·•│、可靠性高▩·•│、配置靈活▩·•│、便於安裝▩·•│、使用週期長▩·•│、維護工作少等特點,廣泛應用於高壓輸電系統.GIS斷路器進行機械操作試驗是為了保證開關裝置滿足規定的操作條件且機械聯鎖工作正常.依據相關標準應對 GIS斷路器進行機械開斷特性出廠試驗,以驗證開關裝置在操動機構的電源電壓和操作壓力規定的範圍內是否能夠正確地合閘和分閘[1].

在某550kV 斷路器1000~2000次機械操作試驗中,操作機構中連線拐臂與操作杆的軸銷在開閘和合閘週期運動中發生斷裂,其軸銷裝配▩·•│、斷裂位置及受力情況如圖 1 所示.軸銷尺寸規格為直徑30mm▩·•│、長145 mm,材料為30CrNi3合金鋼,經過調質處理,軸銷表面進行擴散滲氮處理.為尋找軸銷早期斷裂的原因,筆者透過一系列理化檢驗方法,對斷裂的軸銷及同批次未斷裂的軸銷進行了調查分析,並提出相應的預防措施[2].



圖1 軸銷裝配▩·•│、斷裂位置與受力示意圖



1 理化檢驗

1.1 化學成分分析

斷裂的軸銷基體材料為30CrNi3合金鋼,對軸銷基體取樣,採用島津 PDA7000型直讀光譜儀進行化學成分分析,結果見表1.由表1可知,該斷裂軸 銷 的 化 學 成 分 符 合 GB/T3077-2015 的要求.

表1 斷裂軸銷的化學成分分析結果(質量分數)

圖2 軸銷斷口的宏觀及微觀形貌


1.3 低倍檢驗

對斷裂軸銷橫向取樣,經磨製▩·•│、拋光後,放入腐蝕液(硝酸與鹽酸的體積比為1∶3)進行酸浸試驗,直至顯示出宏觀缺陷.清洗後觀察試樣,其宏觀形貌如圖3(a)所示,可見橫截面存在有較多斑點狀疏鬆,這是由材料中不規則孔洞和夾雜物導致的.為進一步分析缺陷產生原因,對同批次軸銷縱向取樣,進行低倍酸浸試驗,觀察其宏觀形貌,如圖3(b)所示.可見縱截面有明顯發紋,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,其長度達到3mm.大尺寸帶狀分佈夾雜物會嚴重影響材料的力學效能,尤其是疲勞強度[5G6].

圖3 軸銷酸蝕後的低倍組織形貌


1.4 金相檢驗

從軸銷斷裂部位擷取橫向試樣,磨製▩·•│、拋光後使用4%(體積分數)硝酸酒精溶液進行侵蝕,然後透過 OLYMPUSGX51型金相顯微鏡進行觀察,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+擴散層)約為120~130μm,高於產品技術規定值(20μm).由圖4(b)可見,軸銷的基體顯微組織為回火索氏體,並保持馬氏體位相[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行評定,其級別約為4.5級.

1.5 力學效能測試

使用 HVSG5型顯微硬度計對軸銷斷口附近表面及 心 部 硬 度 進 行 測 試,試 驗 載 荷 為 2.94 N(0.3kgf),載入時間為10s,結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

圖4 軸銷的顯微組織形貌


硬度和心部硬度 均 符 合 產 品 技 術 條 件 要 求(表 面硬度500~750 HV,心部硬度260~325 HV),且表面硬度遠 高 於 心 部 硬 度,這 是 由 於 軸 銷 表 面 進行了滲氮處理.沿軸銷縱向取樣,試樣規格為10mm×10mm×55mm,開 V 型 缺 口.使 用 BDG3008 型 衝 擊 試 驗機,在20 ℃條件下,依據 GB/T229-2007«金屬材料 夏比擺錘衝擊試驗方法»對軸銷基體材料進行衝擊試驗.結 果 顯 示,軸 銷 的 衝 擊 吸 收 能 量 為 116,114J,而產品技術要求為118J.對比軸銷初次供貨時的衝擊吸收能量(128,138J),斷裂軸銷的衝擊吸收能量明顯低於初次試驗的結果.

2 分析及討論

由斷裂軸銷的宏觀夾雜物檢驗結果可知,軸銷材料內部存在疏鬆▩·•│、大尺寸夾雜物和氣泡缺陷,降低了材料的衝擊性能和疲勞強度.軸銷的衝擊試驗結果表明,缺陷的存在增加了材料脆性,導致衝擊吸收能量小於初次試驗記錄的正常軸銷的衝擊吸收能量.軸銷基體材料的金相檢驗結果表明,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,並保持馬氏體位相,可知材料的熱處理工藝正常,保證了軸銷基本的力學效能.斷口分析結果顯示軸銷發生了典型的疲勞斷裂,斷口包括裂紋源區▩·•│、疲勞擴充套件區▩·•│、最終斷裂區,有撕裂剪下唇特徵[9].軸銷進行往復弧線週期性運動時,受到旋轉彎曲應力,而軸銷材料記憶體在疏鬆▩·•│、大尺寸夾雜物和氣泡缺陷,在週期旋轉彎曲應力的作用下,尤其是在大尺寸帶狀夾雜物處容易產生沿晶開裂[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,導致了裂紋的形成.但軸銷在操作1000~2000次過程中經歷多次摩擦,因此還無法確定裂紋源的最初誘導因素.



圖5 裂紋源處的沿晶裂紋形貌


軸銷承受週期性高應力往復作用,並且開閘力大於合閘力,載荷不平衡,裂紋源 A 位置對側裂紋產生相對滯後,因此軸銷斷裂趨勢是由 A 位置及其對側逐步向中間推進的.軸銷的顯微組織為回火索氏體,並保持馬氏體位相,具有較好的力學效能.在週期性載荷作用下,裂紋源緩慢逐步擴充套件,並在推進過程中形成疲勞紋路,呈現出偏心模式的橢圓貝殼狀形貌.最終軸銷在中心偏 A 位置對側處斷裂,這是由於 A 位置對側所受力相對較小,裂紋源起始晚且推進速率低.

3 結論及建議

該軸銷的斷裂失效形式為週期性高應力往復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,內部存在疏鬆▩·•│、大尺寸夾雜物和氣泡缺陷,在週期性旋轉彎曲應力的作用下產生沿晶開裂,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.建議嚴格控制軸銷的原材料質量,對購入原材料進行宏觀組織檢查,控制疏鬆和夾雜物級別,避免使用帶有密集疏鬆和大尺寸帶狀夾雜物缺陷的原材料;在加工生產中避免微小加工刀紋▩·•│、滲氮化合物層的產生,並且在運輸和搬運過程中避免軸銷磕碰.

(文章來源•₪✘✘:材料與測試網-理化檢驗-物理分冊)






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