電子元器件導線的斷裂失效與原因分析

周晚

（咸陽職業技術學院，西安 712000）

引言

2021 年7 月7 日湖北省隆回縣10 kV 六荷線臘樹電力支線01 號桿與02 號桿之間有一處電子元器件機組發生自事故，根據委托方介紹，該供電線路始建于2003 年，于2004 年初投入運行，需要通過失效分析找出電子元器件機組發生事故的原因[1-6]。送檢導線用于距離約150 m海拔不同的兩山之間，當地群眾反映該處導線曾發生斷線情況。斷裂的導線在高海拔山電桿附近，距離電桿瓷瓶約15～20 cm。事故發生后，掉落地上的一段導線被當地群眾扣留存放，未掉落部分保留在電桿上繼續服役并于2020 年5 月10 日取下，兩段導線共同送檢。需要對送檢的導線進行斷口分析、力學性能測試、金相組織等試驗，綜合分析斷裂原因。

1 材料與測試方法

來樣為電子元器件機組里斷裂的若干導線（鋼芯鋁絞線），鋼芯鋁絞線中有6 根鋁線、1 根鋼芯和1 根鋁綁線。

采用華為P50 手機對送檢試樣進行宏觀形貌拍攝，初步得到斷口等信息；采用日本IT-300 型掃描電子顯微鏡對斷口形貌進行觀察，微區成分使用附帶能譜儀進行測試，并制備EBSD 試樣在掃描電鏡上觀察斷口及遠離斷口的晶粒形貌[7]；拉伸試樣在MTS-810 液壓私服萬能拉伸試驗機上進行，測試溫度為室溫，拉伸速率為1 mm/min；顯微硬度在HV-1000 數顯維氏硬度計上測試，載荷100 g，保持載荷時間根據需要設定在15 s；金相試樣需要鑲嵌后砂紙打磨、金剛石研磨膏拋光和腐蝕后，在奧林巴斯GX-71 型光學顯微鏡上觀察。

2 理化檢測與分析

2.1 宏觀形貌

圖1為斷裂導線的宏觀形貌，分別列出了送檢斷裂導線捆扎狀態的宏觀形貌和斷口宏觀形貌。送檢材料封存良好，宏觀形貌如圖1。鋼芯鋁絞線斷成兩部分，其中鋼芯鋁絞線中有6 根鋁線、1 根鋼芯和1 根鋁綁線，均已全部斷裂，斷口保留較好，其中3 根鋁線為平斷口，3 根鋁線為頸縮斷口，1 根鋼芯為平斷口，1 根鋁捆線為平斷口。斷口較為整齊，表面有輕微磨損痕跡；鋼芯斷口發黑。2#鋼芯鋁絞線由6 根鋁線+1 根鋼芯組成，其中鋼芯斷面發黑，各斷口均有明顯機械損傷痕跡，斷口破壞較嚴重。

圖1 斷裂導線的宏觀形貌

2.2 斷口觀察

截取斷裂導線上的各個斷口，經超聲波清洗后，分別在掃描電鏡下觀察微觀形貌，典型形貌如圖2～5所示，各斷口微觀形貌特征見表1。其中，圖2 為平斷口顯微形貌和能譜分析、圖3 為平斷口側面顯微形貌和能譜分析、圖4 為縮頸斷口顯微形貌和能譜分析、圖5 為鋼芯斷口微觀形貌和能譜分析。從表1 中可見，鋁絞線中的3 個平斷口的大部分區域表面呈高溫圓融的自由凝固形態[8]；3 個頸縮斷口發生塑性變形，為后期斷裂的斷口，局部可見等軸韌窩斷裂形態。綁線斷口為平斷口，鋼芯斷口表面附著大量氧化物。鋁絞線中各斷口磨損、變形嚴重，大部分斷口已看不出原始斷口形態，少量斷口觀察到高溫圓融形態，鋼芯斷口表面被大量圓鈍氧化物覆蓋。

圖2 平斷口顯微形貌和能譜分析

圖3 平斷口側面顯微形貌和能譜分析

圖4 頸縮斷口形貌和EDS 分析

圖5 鋼芯斷口形貌和EDS 分析

表1 斷裂導線的斷口微觀形貌特征

斷口分析可見，各平斷口鋁絞線的斷面具有高溫圓融的特征，頸縮斷口鋁線為一次性的韌窩斷裂形態。各斷口均未發現貝紋線及疲勞條紋。

2.3 拉伸性能

按照GB/T 1179-2008《圓線同心絞架空導線》進行力學性能試驗。在斷裂導線上截取試樣，對6 根鋁線及1 根鋼芯分別進行室溫拉伸試驗，并根據拉伸試驗結果推算拉斷力[8]，結果如表2 所示，表中給出了GB/T 1179-2008 標準要求的額定抗拉力（12.55 kN）。6 組導線-鋁線的拉斷力分別為1.015、0.962、0.957、0.970、0.994 和0.915 kN，導線-鋼芯的規定塑性延伸力分別為10.558 和10.536 kN，由此推算處導線的額定拉斷力為16.36 kN。相較于GB/T 1179-2008 標準要求的額定抗拉力，斷裂導線的抗拉力滿足要求，具有足夠的力學安全儲備。

表2 室溫力學性能結果

2.4 硬度分析

在平斷口、頸縮斷口附近和遠離斷口的區域截取塊狀試樣，磨拋后測試硬度，結果如表3 所示。從表中可見，平斷口硬度小于頸縮斷口硬度，遠離斷口的基體硬度略大于斷口附近的硬度。這是由于平斷口受高溫作用發生再結晶、殘余內應力減小、硬度較小[9]；頸縮斷口受拉應力作用發生較大塑性變形、內應力增大、硬度較大。

表3 平斷口、頸縮斷口附近和遠離斷口的硬度測試結果（HV0.05）

2.5 金相組織

選取鋁絞線中平斷口、頸縮斷口、平斷口附近的基體及鋼芯，分別制備剖面金相試樣，進行金相組織測試。金相組織形貌見圖6。平斷口、頸縮斷口、基體的組織均為α-Al，鋼芯組織為拉長的索氏體+少量鐵素體。

圖6 斷口和鋼芯不同位置處的金相顯微組織

從金相顯微組織中可見，頸縮斷口附近的組織中出現了一定變形收縮，這主要是因為導線在外力作用下發生了變形，并形成了一次性快速斷口形態[10]。

平斷口金相試樣電解拋光后，在EBSD 下進行晶粒形貌分析，斷口附近和遠離斷口的微觀形貌如圖7 所示。鋁絞線中平斷口附近均為粗大的柱狀枝晶組織，是熔融后凝固的組織形態；枝晶組織附近為粗大的基體晶粒組織，是基體受熱再結晶的組織形態[11]；遠離斷口區受熱作用不明顯，為細小的晶粒組織。金相分析表明，鋁絞線中的2 個平斷口均為熔融斷裂，可初步判斷二者為匹配的斷裂導線。

圖7 斷口附近和遠離斷口的微觀形貌

3 討論與結論

通過對斷裂的導線進行宏觀斷口、微觀斷口、拉伸性能、硬度測試和金相組織觀察等，發現拉伸性能符合標準要求，硬度測試結果未見明顯差異。6 根鋁導線中有三根導線的斷口形貌中都可見高溫熔融特征，表明導線在斷裂前經過了高溫熔融，主要與導線發生短路、過電流、接觸電阻過大、漏電或雷擊放電等有關[12]，在高溫熔融作用下鋁導線發生斷裂；當3 根導線發生熔斷后，剩余的導線不足以承受外加載荷，使得鋁導線和鋼芯發生一次性快速過載斷裂[13]。因此，在實際使用過程中，應該避免導線由于局部短路等現象而發生熔斷，主要措施包括增加鋼芯鋁絞線的外保護、安裝接地裝置防止瞬態過電壓或雷電電流的沖擊、增設防雷裝置和等電位連接帶及屏蔽設施等。

綜合上述實驗結果，可得到如下主要結論：

1）電子元器件機組中的鋼芯鋁絞線的材料強度滿足GB/T 1179-2008《圓線同心絞架空導線》的規定要求。

2）送檢的兩部分斷裂導線均出現高溫熔融斷裂斷口，二者應為匹配的斷裂導線。

3）送檢導線的斷裂過程中，3 根鋁導線發生高溫熔斷，剩余導線由于承載能力不足以支撐外加載荷而發生一次性快速斷裂。