高压开关设备弹簧断裂分析

王晓生 史润军

（河南平芝高压开关有限公司，河南 平顶山 467013）

0 引言

弹簧操作机构由弹簧储能、合闸维持、分闸维持、分闸组成，利用机构内弹簧拉伸和收缩储存的能量可进行断路器合、分闸控制操作。因此，断路器操作机构的工作性能和可靠性决定了断路器的工作性能和可靠性，也就决定了供电的可靠性［1］。在一次高压开关设备在进行寿命模拟操作试验过程中，动作约9 800 次后发生断裂，拆解后发现弹簧一端R4折弯处断裂，失效前产品无异常。弹簧的材质为SWPB琴钢丝，琴钢丝强度和弹性均优于碳素弹簧钢丝和弹簧用不锈钢丝，其采用的标准为JIS G3522［2］。弹簧的自由高度为155 mm±3 mm、材料的直径为2.3 mm、有效圈数为n=35，表面防锈工艺为磷化处理。弹簧的制造流程如下，卷簧→去应力回火→端面磨削→校正→二次回火→倒角、去毛刺→防锈处理→终检。断裂弹簧断口的实物如图1所示。基于以上情况，需要分析弹簧断裂失效的原因。

1 化学成分分析

试样取自断裂弹簧，采用ICP-OES 电感耦合等离子体发射光谱仪对试样进行化学成分分析，具体分析结果见表1。由表1可知，失效弹簧的化学成分符合标准JIS G3522：2014 中牌号SWPB 的技术要求。

表1 失效弹簧的化学成分

2 硬度测试

对取自断裂弹簧的试样采用显微维氏硬度计进行硬度测试，测试结果见表2。由表2 可知，失效弹簧近表面和芯部的平均硬度分别约为562 N/mm2和548 N/mm2。

表2 显微维氏硬度测试结果

3 宏观检测与SEM分析

采用体视显微镜和SEM 扫描电镜观察失效弹簧断口的宏观和微观形貌，结果如图2到图6所示。由图2 可以看出，断口呈现不规则状，断口处未观察到空洞、夹杂等缺陷［3］，断口近表面存在损伤缺陷。图3 是损伤处的放大照片，可以看出有明显锈蚀的痕迹。将失效弹簧断口表面的宏观形貌划分为1～3三个区域。区域1较为平整，且靠近损失缺陷处，为断裂起始区域。在往复应力作用下，形成区域2。区域3 为塑性断裂，即瞬断区域，也是最终断裂区。图4到图6为图3中1～3区域SEM微观形貌照片。由图可知，失效弹簧断口裂纹源近表面存在损伤缺陷。断口上的裂纹源区（1 区）无较明显形貌特征；2 区微观形貌主要是疲劳辉纹，未见明显氧化产物和夹杂，疲劳特征明显；3区断口呈纤维状形貌的过载断口形貌特征。

图2 断口附近表面损伤

图3 失效弹簧断口表面

图6 3区的SEM照片——纤维状断口

4 金相测试

在失效弹簧断口附近，横向和纵向制取金相试样，依次镶嵌、磨抛，经4%硝酸酒精溶液腐蚀后［4］，采用金相显微镜进行观测，观察结果如图7、图8 所示。图7 为失效弹簧200x 金相组织照片，可以看到，晶体经冷拉后沿形变方向呈纤维状组织，未见组织偏析、严重带状组织、裂纹等缺陷。断口处的金相组织与非断口处的金相组织一致，且未发现夹杂物。故该断裂与弹簧组织异常无关，与非金属夹杂无关。图8 为失效弹簧500x金相组织照片，金相形貌为铁素体和细珠光体组织，在断口边缘发现氧化物，这是因断口处存在锈蚀而造成的。此外，在该失效件下未观察到脱碳现象，排除脱碳降低表面硬度导致截面面积缩小，从而引发失效的情况。

图7 失效弹簧的金相形貌（200x）

图8 失效弹簧近表面的金相形貌（500x）

5 结语

由化学成分分析可知，失效弹簧的化学成分符合标准JIS G3522:2014 中牌号SWPB 的技术要求。硬度测试结果显示，失效弹簧近表面和芯部的平均硬度分别约为562 N/mm2和548 N/mm2，符合图纸技术要求。金相测试显示，该失效弹簧的金相形貌为细珠光体，经冷拉后沿形变方向呈纤维状组织，未观察到脱碳现象。宏观检测与SEM 分析显示，失效弹簧断口裂纹源近表面存在损伤缺陷，断口上的裂纹源区无明显形貌特征，裂纹扩展区的微观形貌主要呈疲劳辉纹特征，断口上瞬断区的微观形貌主要呈纤维状形貌特征。

分析弹簧发生断裂的原因表明，弹簧断裂为疲劳断裂，断口微观形貌存在较为明显的疲劳辉纹，断裂源指向的弹簧R4 折弯处，即断口裂纹源近表面存在表面损伤缺陷，弹簧的金相组织为正常冷拉形成的纤维状组织，金相形貌为正常的铁素体和细珠光体组织。

弹簧的断裂失效主要因为其折弯处存在表面损伤缺陷，降低了弹簧的疲劳强度，从而导致载荷能力下降，表面缺陷则造成局部应力集中。当弹簧操作机构进行操作试验时，该损伤处易萌生裂纹，最终导致弹簧发生疲劳扩展和断裂。

后续在弹簧的制作过程中，应注意以下工艺要点，以确保弹簧质量。①弹簧端面R 折弯处应圆滑过渡，避免机械损失的产生，在工艺过程卡中追加R 折弯处的检查确认，确保零件质量；②弹簧制作完成后追加退应力去火工艺，消除内应力［5］。