李 駒1，陳 捷2
（1.國網上海市電力公司電力科學研究院，上海 200437；2.上海電力股份有限公司 外高橋發電廠有限責任公司，上海200245）
摘 要： 通過斷口分析、化學成分、金相組織和剛性系數的比較得出，造成變電站真空斷路器梅花觸頭彈簧的斷裂是由彈簧絲外表面所存在的機械損傷引發裂紋和組織性能的不均勻所致。國產彈簧在Ni、Mn含量比控制和熱處理工藝方面不及進口彈簧材料；進口和國產彈簧在未使用狀態下，剛性系數非常接近，經過使用后，國產彈簧剛性增加，塑韌性下降。
關鍵詞： 觸頭彈簧；剛性系數；斷裂
0 引言
某變電站開關柜梅花觸頭及觸頭緊固彈簧發生燒損，如圖1所示。在對開關修復過程中發現，該開關未燒損觸頭有一彈簧發生斷裂。為確定彈簧的斷裂原因及相關彈簧性能，該供電公司提供了進口觸頭彈簧1根和國產觸頭彈簧3根，彈簧規格相同，如圖2所示，彈簧直徑及外徑分別為1 mm及6 mm。進口觸頭彈簧未經使用（進口A），國產觸頭彈簧分別是燒損觸頭中的彈簧（國產B燒斷）、未燒損觸頭中斷裂彈簧（國產B老化）和新彈簧（國產B新）。
對彈簧相關性能的分析，采用將進口觸頭彈簧A與國產觸頭彈簧B老化、B新的性能數據進行比較的方法，得出彈簧材料及工藝的優劣評價。
1 理化檢驗分析
1.1 掃描電鏡斷口分析
對B老化斷裂彈簧進行了掃描電鏡（SEM）斷口分析。斷口在SEM下具有如下特征：(1)斷口呈韌窩斷口形貌，韌窩花樣約占整個斷口截面的1/3，見圖3；(2)韌窩形態顯示斷裂的作用力主要為剪切及撕裂力，見圖4；(3)斷裂自彈簧絲截面外壁向內壁發展；(4)彈簧鍍層存在缺損，該缺損已破壞鍍層，見圖5所示。
1.2 化學成分比較
對進口A及國產B觸頭彈簧進行了化學成分的分析，分析是在去除表面鍍層條件下進行的，分析結果見表1和圖6。
由表1和圖6可見，除Mn和Ni元素相差很多之外，進口A及國產B觸頭彈簧其他元素含量相差不多。這兩種彈簧都屬于鉻錳鎳不銹鋼，但國產B彈簧的Ni含量很低，Mn含量很高，是一種以Mn代替Ni的不銹鋼。Ni是不銹鋼中的重要元素之一，除了可提高耐蝕性外，還是γ相穩定劑元素，是不銹鋼中獲得單相奧氏體和促進奧氏體相形成的主要元素。由于全球Ni資源緊缺，很多國家紛紛發展這種以Mn、N代替Ni的不銹鋼，有研究表明[1]，以Mn代替Ni從獲得奧氏體來說是可行的。Mn有比Ni大的固溶強化效應，使錳鋼的機械性能改善，但Mn不能像Ni那樣促進鋼的鈍化，還比較容易促使鉻鋼形成σ相，易導致鋼的脆性。Cr-Mn系不銹鋼具有較高的冷加工硬化率、高的強化系數等優良性能，雖然Mn使鋼的機械性能改善，但其也易導致鋼的脆性，Mn的數量以及Cr、Ni、Mn元素之比對鋼的性能起決定性作用。
1.3 彈簧剛性系數比較
采用應力（F）－應變（ε）作圖法對國產B燒斷、B老化、B新彈簧及進口A彈簧進行剛性系數分析比較，結果見圖7。在彈性范圍內，國產B老化彈簧與B燒斷彈簧剛性系數完全相同，國產B新與進口A彈簧剛性系數十分接近；前者兩彈簧剛性系數大于后者。說明使用一定時間后，彈簧的剛性增加，即再發生同等量的變形需要更大的力，一般而言，材料剛性的增加對應塑韌性的降低，導致材料在受到外力沖擊作用下更容易產生裂紋。
1.4 金相組織形態比較
對進口A與國產B彈簧材料進行了金相組織分析比較，見圖8和圖9。兩彈簧金相組織均為回火索氏體，不同的是，后者金相組織保留有明顯的淬火組織的方向性，前者的金相組織均勻且無方向性。就金相組織形態而言，國產B彈簧熱處理不及進口A彈簧充分。國產B彈簧材料的這種組織會導致局部強度、硬度偏高，熱應力集中，在外力的作用下容易在有缺陷部位產生裂紋。
2 分析與結論
（1）國產B老化彈簧的斷裂系由于彈簧絲外表面所存在的機械損傷和材料本身組織性能的不均勻所導致。從鍍層損傷的形貌來看，該機械損傷在彈簧使用前（如制造或安裝過程中）就已經形成。
（2）國產B彈簧及進口A彈簧在作為主要元素的Mn及Ni的含量上存在較大差異，生產商為了降低成本，以大量Mn代替Ni的方式進行材料替換，同時又不注重Cr-Ni-Mn元素含量配比，這種差異是決定進口和國產材料性能及組織優劣的關鍵因素。
（3）國產B彈簧的熱處理不如進口A彈簧充分，使得國產B彈簧材料組織中保留了更多的殘余熱應力，使得材料性能不均勻。
（4）國產B和進口A彈簧在未使用狀態下剛性系數非常接近。而國產B彈簧材料經過一定時間使用之后，剛性增大，導致塑韌性降低。
3 結束語
真空斷路器梅花觸頭彈簧的斷裂主要是由于彈簧絲外表面所存在的機械損傷和材料本身組織性能的不均勻所導致。國產梅花觸頭彈簧在Ni、Mn含量比控制和熱處理工藝方面不及進口彈簧材料；經過使用后，國產彈簧剛性增加，塑韌性下降。建議在選材用材過程中，嚴格按照設計和標準要求選擇成分、性能優良者，加強備品備件的質量驗收，確保電力設備的安全運行。
參考文獻
[1] 王笑天.金屬材料學[M].北京：機械工業出版社，1987.