某变电站电流互感器接地引线螺栓断裂分析

冯红武，高瑞阳，沈祎侬，田 泽，叶建锋

（1.湖北方源东力电力科学研究有限公司，湖北 武汉 430077；2.国网湖北省电力有限公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077）

0 引言

螺栓作为紧固件连，主要用于机械产品、电力设备、船舶、车辆、水利工程等部件的连接［1-7］，是目前应用最为广泛的连接方式。螺栓多采用碳钢、不锈钢、铜材质，碳钢一般为低碳钢、中碳钢以及合金钢［8-9］，不锈钢为奥氏体和马氏体钢［10-12］，铜多为黄铜H62、H65、H68，铅黄铜螺栓很少见，将铅加入到铜锌合金中，可以获得一定的强度、硬度，并显著提升铸造性能和切削加工性能［13］。

黄铜材质具有一定的应力腐蚀倾向，容易产生应力腐蚀开裂，即季裂［14］。近年来，省内外铅黄铜配件断裂故障时有发生［15-20］，而铅黄铜螺栓断裂失效未有报道。

本文以断裂的铅黄铜螺栓为例，采用宏观检查、化学成分、硬度检测、金相分析及扫描电镜等分析手段，分析螺栓断裂失效原因并提出改进措施。

1 概况

2021 年04 月15 日，某变电站电流互感器接地引线固定螺栓在运行中发生开裂，现场安装位置如图1（a），该螺栓型号为M8*45，无厂家和性能等级标识，材质为铅黄铜。

2 试验与分析

依据《GB/T 5231-2012 加工铜及铜合金牌号和化学成分》《GB/T 1176-2013 铸造铜及铜合金》《JB/T 5108-2018 铸造黄铜金相检验》等技术要求［21-23］，对断裂铅黄铜螺栓进行分析，结果如下。

2.1 宏观检测

图1（b）为螺栓断裂位置，断裂位置靠近螺帽端，位于连接板与螺帽交界面，于第3根螺纹和第4根螺纹之间，从图1（c）螺栓断口宏观形貌看，断面与螺栓轴线垂直，断口附近无明显塑性变形，为脆性断裂，同时表面存在疲劳扩展线，螺帽与连接板交界面承受了低应力交变载荷。

图1 螺栓宏观图Fig.1 Macroscopic bolt diagram

2.2 材质分析

用奥林巴斯VANTA-VCR 便携式荧光光谱仪，对断裂螺栓的大端面、断口、小端面分别进行光谱分析，位置如图1（d）所示，分析结果如表1。

表1 螺栓化学成分检测（单位：%）Table 1 The chemical composition detection of bolt(Unit:%)

从光谱分析可见，该铜合金为铅黄铜，根据标准《GB/T 5231-2012 加工铜及铜合金牌号和化学成分》对铅黄铜化学成分要求，该螺栓与黄铜牌号HPb57-4最接近，断口处Cu含量低于标准的最低要求，Pb、Fe和Sn含量超标。

2.3 硬度分析

硬度结果如表2 所示，铅黄铜螺栓大端面、断口、小端面的硬度值高于标准要求80 HBW2.5/187.5，根据文献［24］，少量的Sn固溶于α及α+β黄铜中，可提高铜合金的耐蚀性、强度和硬度。通常只在黄铜中加入1%左右的Sn，能抑制普通黄铜的脱锌，文献［25］中提到，黄铜中加入1%Sn后，硬度明显增高，而文献［26］中随着Sn 的不断增加，黄铜的硬度一直在增高，Sn 含量过多，则使铜合金的塑性下降。根据文献［27］，加工铅黄铜具有较强的加工硬化特性，而螺栓的螺纹成形需要经过冷加工，加工后硬度也会变大。

表2 螺栓硬度检测(HB)Table 2 Hardness testing of bolt（HB）

含36%Zn 的α 相黄铜Sn 的溶解度仅为0.7%［28］，而标准中规定Sn 含量不大于0.5%，多余的Sn 以CuSnZn化合物即γ相在晶界析出。

根据Zn当量计算公式（1）［29］，断裂螺栓大端面、断口、小端面的Zn 当量分别为43.40%、45.20%、43.53%，大端面、小端面的Zn当量接近45%，而断口位置Zn当量超过45%。锌当量越高，黄铜的硬度越高，而塑性越低。

Zn%=A，Cu%=B，其他元素含量为C，η为当量系数，∑为各种合金元素的总和；η值（Sn：2，Pb：1，Fe：0.9）。

2.4 扫描电镜分析

使用场发射扫描电镜观察断口部位形貌，图2（a）为断口扫描电镜低倍图，由图可见，断裂源起始于螺纹底部，断口无明显塑性变形，属于脆性断裂［30-32］；图2（b）为断口边沿处扫描电镜图，断口呈冰糖状，为沿晶脆性断裂特征［33-35］；图2（c）为断口中部形貌，可以看到有部分韧窝，属于韧性断裂；图2（d）可以看到，断口处有许多大颗粒状物质，为聚集的Pb颗粒。

图2 螺栓断口表面形貌Fig.2 The surface morphology of fracture bolt

2.5 EDS分析

对铅黄铜螺栓断口进行能谱分析，如图3所示，图谱标记位置Pb聚集成颗粒状，含量达到了12.51%。

图3 螺栓断口能谱点扫描图Fig.3 Point scan of bolt fracture energy spectrum

2.6 金相分析

对螺栓断口处、大端面进行金相试验，腐蚀液为三氯化铁的盐酸水溶液，结果如图4。

图4（a）为断口处低倍组织图，可以看出靠近边缘处，有大量的Pb颗粒聚集成线状，横向延伸；图4（b）可以看出，断口处Pb 颗粒明显聚集，组织晶粒粗大；图4（c）为断口的高倍图，可以看出，α相和β相组织较粗，部分α相呈长条状，分布于β相内，与文献［25］类似，α相与β 相交界处或β 相边缘处有亮白色组织，为CuSnZn化合物，即γ相［24］；图4（d）为大端面的组织图，可以看出，组织较均匀，为白色的α相、灰色的β相、点状分布的Pb颗粒以及少量的γ相。

图4 螺栓金相组织Fig.4 Metallographic microstructure of bolt

将断口处组织进行晶粒度评定，如图所示，根据标准《JB/T 5108-2018 铸造黄铜金相检验》中铸造黄铜晶粒度的分级，可将该铅黄铜螺栓基体组织评为3级，为较大晶粒度。

黄铜为铜锌合金，加入少量Pb 形成铅黄铜，Pb 不固溶于合金，以游离态分布于固溶体中，改善切削性能。铅黄铜中加入合金元素Sn后会改变显微组织，从而获得不同性能，但是在Cu含量减少的基础上增加合金元素，会导致组织中β 相增多，该相硬而脆，使材料的脆性提高。

黄铜有3种组织，Zn含量小于35%时，为单相α组织，Zn 含量在36%～45%时，为α+β 两相组织，随Zn 增加，β相会增多，当Zn含量大于45%时，α相将消失，组织为单一β相。

断裂的铅黄铜螺栓Zn含量为36.48%，加入2.02%的Sn后，Zn当量为45.20%，超过45%，同时β相周围出现脆性的γ 相，造成硬度过高，而塑性下降，在外应力作用下，发生脆性断裂。

3 结论

本次检测的铅黄铜螺栓断裂主要原因是材质不合格，锡含量过高，出现脆性的γ 相组织，在外应力作用下，发生脆性断裂；断口边缘处聚集大量的铅，形成带状，破坏了基体的连续性，容易形成裂纹源，是断裂的重要原因。

4 结语

通过对铅黄铜螺栓的断裂分析，找到了断裂主要原因。黄铜螺栓的韧性较差，很少用于电力设备的紧固件，建议把黄铜螺栓全部换成不锈钢螺栓或热镀锌螺栓。