（中国电建集团河南电力器材有限公司 河南漯河 462000）
摘要：分析了电力金具U型环冻裂后的组织与性能变化情况，以及在不同施加载荷和冻裂次数的作用下，U型环破坏载荷的变化情况。结果表明：随着冻裂次数或施加载荷的增加，U型环冻裂后破坏载荷随之减少；接触面的组织与性能也发生变化，冻裂边缘的中间位置硬度明显降低。
关键词：U型环；破坏载荷；冻裂；组织；SEM；硬度
1前言
在国民经济快速增长的同时，对电力工业的需求也逐渐增加。输电线路是电能运送的枢纽，而承载输电导线的金具是确保电网正常工作的关键。作为输电线路中最为庞杂的一类原件，电力金具起到连接和组合装置的作用。故对电力金具的失效研究显得尤为重要，造成金具失效的原因大致分为两类[2-6]：金具材料本身与环境导致。所以针对金具的研究多是围绕不同介质环境进行展开。受大风、大温差、覆冰等不同恶劣环境的影响，导线摆动增大应力，导致连接金具发生不同程度的失效。
2实验
2.1试样制备和研究方法
实验选用电力金具的U型环，参考750kV吐哈线的设计参数，首先对U型环冻裂前的力学性能进行检测，通过力学性能实验和U型环冻裂前的破坏载荷实验，获取U型环冻裂前自身的力学性能以及破坏载荷。对U型环施加8000N载荷、15万次的冻裂后的组织与性能进行分析，选取U型环弯折处的截面和轴向两个方向，制备10mm×20mm×16mm的长方体试样。通过扫描电镜分析U型环冻裂后的形貌；在U型环的弯折处取样，通过金相显微镜分析U型环冻裂前后的组织变化；对U型环冻裂区域的硬度进行取样分析，硬度取样为弯折处截面（截面维氏硬度，从芯部打到边缘，获得硬度分布曲线），通过以上分析来获取U型环在冻裂之后的性能变化。另外，由于地线JLB20A-100和光缆OPGW-115的综合载荷大致在4000～8000N，故选取4000～8000N的综合载荷以及5万到15万次的冻裂次数，对冻裂之后的U型环采用2000kN的卧式拉力机进行破坏载荷实验，通过配套的记录软件获取U型环冻裂之后的破坏载荷。
2.2U型环冻裂前的力学性能
首先对U型环冻裂前的力学性能进行检测，通过力学性能实验和U型环冻裂前的破坏载荷实验，获取U型环冻裂前自身的力学性能以及破坏载荷。将冻裂前的U型环制备成标准的五个试样，再通过立式电子伺服万能实验机获取试样的屈服强度、抗拉强度、断后伸长率，然后利用卧式电液伺服拉力实验机进行U型环的破坏载荷实验，直至U型环发生断裂。
3U型环冻裂后的结果与分析
3.1U型环冻裂后的扫描电镜分析
首先对施加8000N载荷以及15万次冻裂次数的冻裂后U型环进行扫描电镜（SEM）分析，通过SEM可更准确观察和分析U型环冻裂后的形貌以及性能。由于循环往复的交变载荷与上下U型环相互接触共同导致了U型环接触区域的冻裂，其冻裂过程分为两个阶段：疲劳核心裂纹的形成、疲劳裂纹扩展直至材料微粒的脱落。应力集中现象在实际服役过程中不可避免地发生，而疲劳裂纹则主要于应力集中位置萌生与扩展，应力集中区域的应力场分布对疲劳裂纹的萌生和扩展会有明显的影响。U型环受到载荷的作用，随着循环次数和外加载荷的逐渐增加，接触表面的粗糙度也会增加，接触区域的硬度下降，在外载荷、高的接触应力以及摩擦应力的共同驱动下，零件接触区域由于受到反复的弹性及塑性变形而发生疲劳，就会在接触区域产生裂纹。
当裂纹扩展到一定程度时，零件表面的材料剥落下来，在接触面区域留下深浅不同的麻点剥落坑。随着疲劳循环次数的增加，点蚀数量不断增加，分散的点蚀坑聚集，从而形成连续的点蚀坑并伴随有裂纹的产生；随着裂纹的增加，就会出现裂纹的环状扩展形成表面的剥落现象，接触区域就会看到有明显的分层现象；分层现象的出现，表明材料表面形成了十分严重的疲劳缺陷形式以及大量的甲壳状碎片脱落。
3.2U型环冻裂后的金相分析
原始状态的试样是在直壁处与弯折处分别取样，在原始状态时，U型环原始状态的金相组织是由均匀分布的铁素体（白色）和珠光体（黑色）组织组成，珠光体大多分布在多角状铁素体的晶界区域。8000N载荷、15万次U型环的冻裂后的试样是在弯折处选取，冻裂后中心部位的金相组织看出变化不明显。这是因为金相测试面的中心部位与冻裂部位距离相对较远，所以对中心部位的金相组织影响不是很显著，基本与原始状态金相组织相似；冻裂后U型环的微观组织发生了明显变化，试样的边缘处是U型环的冻裂区域。由金相组织图可看出微观组织形状的变化，由于U型环受到往复载荷的作用，U型环接触区域也就存在往复的摩擦，接触区域就长期受较大的应力载荷作用，在接触区域发生塑性变形。随着冻裂的增加，变形情况越来越明显，各个晶粒沿着变形方向逐渐伸长，出现较明显的纤维状和条状的形态。
3.3U型环冻裂后的截面硬度分析
把材料局部抵抗硬物压入其表面的能力称为硬度，硬度是材料弹性、塑性、强度和韧性等力学性能的综合体现，所以研究U型环冻裂后的硬度极有意义。从8000N载荷、15万次的U型环冻裂区域弯折处制取试样，利用显微维氏硬度仪对U型环冻裂区域进行硬度分析，为了更清晰的对U型环进行硬度分析，故对试样进行取点，第一组是选取U型环冻裂处A向中心D区域进行测量；第二组是先从U型环的冻裂边缘B到冻裂中心A再到边缘C的测量。U型环不同的区域分别呈现不同的显微硬度；未经冻裂的U型环表面的硬度为220HV左右。U型环的接触区域A处硬度最低，B处区域有小幅度的波动。远离接触区域的中心位置D处硬度值没有明显的波动。U型环的冻裂边缘B、C的硬度值略有降低，但是冻裂区域的中心位置硬度下降较为明显。冻裂初期，在载荷、摩擦力和摩擦热的共同作用下，接触面产生了形变强化，随着冻裂次数的增加，越来越多的磨屑在摩擦副的作用下填充到接触面的凹坑中，接触面的粗糙度降低，平均摩擦系数随之降低。挤压方向又不断发生变化，使得中心区域的硬度下降最为明显。在U型环的边缘区域由于受到触面载荷的交互作用，部分组织结构疲劳失效，产生了垂直于摩擦方向的鱼鳞状突起和局部疲劳脱落的现象。随着冻裂次数的逐渐增加，接触区域的硬度不断下降，由于中心部位的挤压变形，使边缘区域的金相组织形态发生了变化，所以引起了U型环边缘区域的硬度略微下降。
4讨论
通过对经8000N载荷、15万次冻裂后的U型环进行分析，可得出冻裂后U型环的组织与性能的变化。为了更深入分析U型环在不同施加载荷、不同冻裂次数的变化情况，对冻裂后的U型环进行破坏载荷实验，获取不同冻裂次数、不同载荷下的破坏载荷值。在相同载荷下，对U型环进行5万、10万、15万次的破坏载荷实验，以及在相同冻裂次数下对U型环进行4000、6000、8000N的破坏载荷实验。每三对U型环作为一组，获取U型环冻裂后的平均破坏载荷。通过上述对冻裂后U型环的分析，可知，U型环的破坏载荷随着施加载荷和冻裂次数的增加，冻裂后的破坏载荷逐渐下降，在施加载荷为8000N、15万的冻裂次数时，U型环的冻裂后破坏载荷显著下降。通过SEM分析，可看出U型环的接触区域有了明显的分层现象，随着冻裂次数与外载荷的逐渐增加，从金相组织可看出，U型环的接触区域发生了塑性变形，变形越来越明显，各个晶粒沿着变形方向逐渐的伸长；U型环冻裂后的破坏载荷显著下降，接触区域的硬度也有了明显下降，材料的表面已经形成了十分严重的疲劳缺陷以及大量的碎片脱落。
参考文献：
[1]耿春雷，顾军，徐永模，等．油气田中CO2/H2S腐蚀与防护技术的研究进展[J]．材料导报，2011，25（1）：119-122．