Page 55 - 理化检验-物理分册2019年第二期

杨娇龙, 等: GIS 用不锈钢板簧断裂分析与预防

图 ６ 板簧显微组织形貌
Fi g 敭６ Microstructuremor p holo gy ofthe p lates p rin g
表 ４ 板簧维氏硬度试验结果 起源于拱桥形板簧拱起处外表面, 该处冷加工成型时
Tab敭４ Resultsofhardnesstestofthe p lates p rin g 变形大, 存在内应力, 同时在使用过程中, 该处也是受
试样 实测值 标准值 力最大的位置.对该区采用能谱仪进行半定量成分
断裂板簧 ５３４ , ５２４ , ５２７ , ５１４ 分析时发现了氯元素, 并且微观形貌可见明显的泥状
≥４５０HV
同批次库存板簧 ５１８ , ５３２ , ５１６ , ５２９ 花样沿晶龟裂纹, 属于典型的应力腐蚀断裂形貌, 由
此判断板簧断裂的原因为氯致应力腐蚀开裂 [ １１ ] .
出, 断裂板簧和同批次库存板簧硬度无明显差异, 两
为进一步查明断裂源产生原因, 对同批次库存
者均符合JISG４３１３－２０１１ 对 SUS６３１ＧCSPＧH 不锈
板簧进行了外观观察.如图 ７ 所示, 个别板簧表面
钢带硬度的要求.
存在针孔状微缺陷, 放大后可见晶界, 采用能谱仪对
为测定 板 簧 的 耐 载 荷 特 性, 又 从 库 存 品 中 取
此处进行成分分析也可探测到氯元素.推测可能是
４ 个新板簧, 按照图纸要求利用弹簧试验机测试高
板簧在冷加工成型过程中, 由于模具表面存在毛刺
度 Ht＝５．５mm 时的载荷, 结果见表 ５ .图纸要求
将板簧表面划伤, 同时存在包装不严密, 海洋运输过
板簧耐 载 荷 值 为 １４１．１~１８２．５ N , 即 [ １６× ( １＋
程中被潮湿的海洋气候环境中的 Cl 入侵, 从而导
－
１０％ )] k g f , 由表 ５ 可见, ４ 个新板簧的耐载荷值均 致板簧表面钝化膜逐步被破坏而在腐蚀性环境中发
符合图纸要求.
生了点蚀, 随后以蚀坑底部的敏感点为裂纹源, 在应
表 ５ 板簧耐载荷试验结果
力的作用下, 裂纹扩展为应力腐蚀裂纹.在随后的
Tab敭５ Resultsofloadin g resistanceofthe p lates p rin g
使用过程中因受力, 导致裂纹加速扩展, 造成最后的
试样编号 测试载荷 / N 图纸要求值 / N
突然断裂 [ １２Ｇ１３ ] .
１ 号库存板簧 １６２．４
２ 号库存板簧 １６１．３ ３ 结论及改进措施
１４１．１~１７２．５
３ 号库存板簧 １６２．０
该 GIS 用不锈钢板簧失效模式为应力腐蚀开
４ 号库存板簧 １５９．８
裂导致的断裂失效, 断裂是在板簧表面的微小缺陷、
内部的沟状组织及夹杂物、 腐蚀性环境和应力的共
２ 综合分析
同作用下发生的.板簧内部的沟状组织使其晶间腐
由上述分析结果可知, 断裂板簧的化学成分、 表 蚀敏感性增大, 同时储存及运输环境中的氯离子侵
面硬度、 力学性能等均满足相关标准技术要求. 入板簧表面的微小缺陷, 诱发了晶间腐蚀.板簧使
板簧断口处金相分析结果显示, 板簧材料显微 用过程中, 在外载荷的作用下, 以先期形成的应力腐
组织中存在沟状组织和夹杂物.沟状组织的存在使 蚀裂纹为起点, 最终发生断裂失效.
得晶粒与晶粒之间的结合力减弱, 降低了材料的强 建议采取以下预防措施: 严格控制板簧冷加工
度, 提高了材料晶间应力腐蚀的敏感性 [ ９ ] ; 同时夹杂 成型用模具表面质量, 防止板簧表面被划伤; 严格控
物的存在一定程度上割裂了基体, 降低了材料的强 制板簧材料杂质含量; 板簧冷加工后采用合理的热
度 [ １０ ] . 处理消除内应力和形变诱发的马氏体; 采用真空包
从断口形貌和微区成分分析结果来看, 板簧断裂 装和运输, 使用前对板簧进行外观检查.
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