GIS斷路器用雙頭螺栓失效分析

史潤軍 王曉生 孟露

摘 要：某單位在GIS新結構開發階段，工廠內進行樣機方案驗證時，裝配人員在進行GCB斷路器操作桿裝配中，使用25 N·m力矩緊固雙頭螺桿與導向桿時，雙頭螺桿的螺紋根部位置整體發生斷裂，導向頭內的斷裂螺紋桿無法取出。為此作者采用化學成分分析、硬度檢測、金相檢驗、宏觀斷口分析及掃描電鏡分析等方法分析斷裂原因。結果表明：該雙頭螺栓表面存在機械損傷，受到過載的反復扭轉彎曲應力后，加上采用的原材料20#鋼強度不高，故發生塑性斷裂。

關鍵詞：雙頭螺栓;機械損失;韌性斷裂

中圖分類號：TG115.28 ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? 文章編號：1003-5168（2021）30-0028-03

Abstract： In the development stage of GIS new structure， when the prototype scheme was verified in the factory， the assembly personnel fastened the double head screw and the guide rod with 25 N·M torque. The overall thread root position of the double head screw was broken， and the broken thread rod in the guide head could not be taken out. Therefore， the author analyzed the causes of fracture by means of chemical composition analysis， hardness test， metallographic examination， macro fracture analysis and scanning electron microscope analysis. The results show that there is mechanical damage on the surface of the stud bolt. After being subjected to the repeated torsional bending stress of overload， the plastic fracture finally occurs because the raw material is 20# steel and its strength is not high.

Keywords： stud bolt;mechanical loss;ductile fracture;failure analysis

某單位裝配人員使用25 N·m力矩緊固雙頭螺桿與導向桿進行GCB斷路器操作桿裝配，雙頭螺桿的螺紋根部位置整體發生斷裂。該雙頭螺栓材料為20#鋼，屬于優質低碳碳素鋼，強度比15#鋼稍高，很少淬火，無回火脆性，塑性、焊接性能良好，切削加工性冷拔或正火狀態較退火狀態好，一般用于制造受力不大，而要求韌性高的各種機械零件[1]。雙頭螺栓的加工工藝：下料→車削→車螺紋→表面處理（磷化），規格為M10X530 mm。本文對斷裂雙頭螺桿進行理化檢驗和失效分析，以找出失效原因。

1 理化檢驗

1.1 化學成分分析

對斷裂雙頭螺桿取樣進行化學成分分析，結果見表1，可見各元素含量均符合GB/T 699—2015《優質碳素結構鋼》對20#鋼成分的技術要求。

1.2 硬度檢測

在失效雙頭螺栓的斷口附近取硬度測試試塊，按照GB 231—1984《金屬布氏硬度試驗方法》要求用TH600布氏硬度計進行硬度測試，結果見表2。試驗結果表明，其基體平均硬度為142～148 HB，符合材料冷拉狀態下的硬度要求。

1.3 雙頭螺桿端口宏觀分析

螺桿斷口的宏觀照片見圖1、圖2。由圖1可見，斷面表面粗糙不平，與螺桿軸向呈一定的傾斜角度，初步判定螺桿受到扭轉彎曲應力，并最終斷裂。斷口外貌呈杯錐狀，杯錐底基本垂直于主應力，錐面平行于最大切應力，與主應力呈一定角度，斷口表面呈纖維狀，顏色偏灰暗。斷裂斷口（上）的側面放大照片見圖3～6。由圖可見，斷口附近有明顯的塑形變形，螺桿局部出現了應力過載后的徑縮以及被拉伸變形的現象，同時還可以觀察到機械加工過程中或其他原因造成的機械損傷，見圖3和圖5中標記。

1.4 雙頭螺桿斷口掃描電鏡微觀分析

螺桿斷口（下）的微觀形貌照片見圖7和圖8。其中圖7為斷口邊緣的微觀形貌，可見沿一定方向出現拉伸韌窩，局部有裂紋反復開閉摩擦后產生的磨痕（圖中局部圓形顆粒為斷口生銹形成的氧化物），說明該螺桿為韌性過載斷裂，斷裂起源在螺桿外徑的機械損傷處。圖8為斷口中間位置處的微觀形貌，可看到明顯的韌窩。從斷口的微觀形貌狀態可判定該螺桿的斷裂形式為韌性斷裂。

1.5 金相檢驗

對螺桿取樣磨拋、腐蝕后進行金相觀察，見圖9和圖10，組織為鐵素體+少量粒狀和塊狀珠光體。白色基體晶粒為鐵素體，晶粒細小，分布均勻;黑色塊狀為片狀珠光體（占10%～20%），多分布于晶界處[2]。

2 分析與討論

通過宏觀檢查、斷口掃描、金相檢查、化學成分測定、力學性能檢測、硬度檢測等方式對斷裂原因進行分析。結果表明，螺柱的顯微組織、化學成分、力學性能正常;螺柱斷口具有典型的塑性斷裂特征，其斷裂形式為塑性過載斷裂;螺柱斷裂的主要原因是螺柱桿部表面受到機械碰傷產生的微裂紋在交變應力的持續作用下逐步擴展[3]，由于20#鋼材料本身強度不高，且在裝配時受到過載扭轉應力，最終造成斷裂。

3 建議

①20#鋼含碳量低，組織為大量鐵素體+少量片狀珠光體，綜合強度較低，因受載過大導致最終斷裂失效，建議雙頭螺栓采用強度更高、性能更好的材料。

②零部件加工時應特別注意防磕碰、劃傷等，尤其是精密件或硬度低的材料，機械碰傷后易產生局部微裂紋，應用在復雜交變應力環境下易產生零部件失效。

③建議嚴格執行產品加工工藝，嚴格把控零部件入廠檢查，對于不合格產品應及時返工或報廢，以免造成更大的經濟損失[4]。

參考文獻：

[1] 王建奇，李海霞，王梅英，等.20鋼吊環螺釘斷裂分析[J].大型鑄鍛件，2016（4）：34-36.

[2] 張美麗.20鋼螺釘斷裂失效分析[J].化學工程與裝備.2016（6）：23-26.

[3] 孫國峰，王大為.雙頭螺柱斷裂失效分析[J].金屬熱處理，2016（4）：213-215.

[4] 高敏花.雙頭螺栓斷裂失效分析[J].金屬熱處理，2008（4）：99-101.