方振邦， 王若民， 陳國宏， 張 健， 張 潔

(國網安徽省電力有限公司電力科學研究院， 安徽 合肥 230601)

0 引言

斷裂是材料或構件力學性能的基本表征。斷裂力學是固體力學的一個新的分支。借助于理論實驗和數(shù)值分析相結合[1- 4]的研究方法，斷裂力學已在航空航天、 機械、 材料、電力能源等工程領域得到廣泛應用。

抱箍是用一種材料抱住或箍住另外一種材料的構件。作為電力金具緊固件之一，抱箍被廣泛應用于各個領域，種類較多[5,6]。因此，作為主變壓器裸露在外金屬附件，如果抱箍發(fā)生斷裂，會嚴重影響設備的安全穩(wěn)定運行。

本文以某主變有載調壓開關連桿上發(fā)生斷裂的抱箍為例，對抱箍采取宏觀檢查、化學成分、金相分析，分析抱箍發(fā)生斷裂的原因并提出改進措施。

1 檢測試驗

1.1 宏觀斷口檢查

對抱箍進行宏觀觀察，從圖1、圖2可以看出，失效位置的開裂部位位于抱箍圓周，裂紋沿軸向，貫穿內外表面，開裂方向與螺栓緊固受力一致。圖3為抱箍斷口形貌圖，宏觀上看，斷口附近形變極少，沒有明顯塑性變形，呈脆性斷裂特征。

圖1 抱箍開裂現(xiàn)場

1.2 化學成分分析

在SPECTRO TEST全定量光譜儀上對開裂抱箍進行光譜分析，結果見表1，抱箍為復雜黃銅材質。其中Al和Mn等Zn當量元素含量均超過1%，Cu含量僅為56%左右，低于GB/T 1176中黃銅的含Cu量[7]，相應含Zn量偏高，為非標黃銅。

表1 光譜分析結果

1.3 金相組織分析

對該抱箍進行顯微組織分析，腐蝕劑采用氯化高鐵鹽酸水溶液。抱箍斷口金相照片見圖4，試樣為典型的鑄造組織，為單相組織，未出現(xiàn)常見的α+β兩相組織，晶粒度為3～5級別。

黃銅為銅鋅二元合金，加入少量Pb形成鉛黃銅，但Pb幾乎不固溶于銅鋅二元合金，以游離狀態(tài)孤立地分布固溶體中，以改善切屑性能為目的。銅中加入不同含量Zn后顯微組織會發(fā)生改變，從而獲得不同性能的合金。黃銅的室溫組織有三種：Zn含量(Zn%)<35%時，為單相α組織，隨著Zn增加，強度和塑性同時得到改善。Zn含量(Zn%)在36～45%時，為α+β兩相組織，隨著Zn%的增加，β相隨之出現(xiàn)并增多，塑性會急劇下降，強度則一直增加，并當Zn含量(Zn%)≈45%時，強度達到頂峰。Zn含量(Zn%)>45%，α相全部消失，組織為單相β組織，強度、塑性都會急劇下降，甚至可能會出現(xiàn)γ相，一種硬而脆的復雜立方晶格固溶體，性能極差，基本無法塑性變形[8]。

本例中抱箍的Zn含量分別為40.01%，金相組織為單相組織，從銅鋅合金二元相圖分析，在該Zn含量附近的單相組織為β相。前文指出Zn含量(Zn%)>45%，組織為單相β組織，正是由于該合金組織含有Al、Sn、Pb和Fe等Zn當量元素，使得該抱箍的Zn當量系數(shù)超過了45%，因此組織呈單相β組織。開裂的抱箍的顯微組織為單相β相+灰色游離的鐵和鉛，強度、塑性較差，工業(yè)上應該避免出現(xiàn)類似組織。

圖4 抱箍顯微組織

2 原因分析

抱箍是用一種材料抱住另一種材料的構件，屬于緊固件的一種。目前有載調壓開關連桿上抱箍多用黃銅鑄造，造價便宜，但容易存在以下問題：一是Zn當量系數(shù)超標，材料含有大量Zn當量元素，導致出現(xiàn)有害顯微組織，本例的情況即是如此，單相β組織導致材料強度、塑性均下降，在緊固螺栓的作用下發(fā)生開裂；二是Pb元素超標，多余Pb在晶界呈網狀分布，致使合金力學性能下降；三是鑄造工藝容易產生氣孔、疏松等缺陷。

目前已經有部分廠家開始采用紫銅板沖壓成型的工藝，可以避免上述鉛黃銅不規(guī)范生產引入的各種缺陷，但對沖壓質量要求較高，特別是在截面突變區(qū)域要注意圓滑過渡，避免留下沖壓臺階，加劇應力集中，省內也曾發(fā)生過紫銅抱箍線夾因成型質量差發(fā)生開裂的事件。

另外，抱箍一般用緊固螺栓緊固，安裝時要按照抱箍的螺栓規(guī)格和預緊力要求使用力矩扳手進行緊固，避免不規(guī)范施工引起變形開裂。

3 結論與建議

(1)該對抱箍開裂的主要原因是材質不合格，黃銅內含有大量Zn當量元素，導致Zn含量過高，出現(xiàn)單相β組織，使得強度和塑性較差，在緊固螺栓的作用下出現(xiàn)開裂。

(2)對入網的抱箍開展質量檢測，黃銅為重點檢測材質，紫銅抱箍重點檢測其成型質量。