图 1断裂角钢宏观形貌
我国西部有足够的水能及煤炭资源，如果将这些资源转化为电力资源，再通过输电线路运送到东部地区，就可解决东部地区电力资源匮乏的问题，并带动西部地区电力及经济的发展，实现资源优化配置和东西部协调发展[1-3]。高压输电线路中的角钢作为连接、加固铁塔底座与塔杆的重要零部件，在高压输电线路中起到不可或缺的作用[4-7]。某公司风电场铁塔角钢发生断裂事故，该角钢的材料为Q355B钢，与底座通过螺栓连接，断裂时所有螺栓均已紧固，所处环境最低温度为-10 ℃，并伴有微风。笔者采用宏观观察、化学成分分析、金相检验、力学性能测试、扫描电镜（SEM）和能谱分析等方法对角钢的断裂原因进行分析，从而避免该类事件再次发生。
1. 理化检验
1.1 宏观观察
观察断裂角钢的整体形貌，角钢表面进行了镀锌处理，镀锌层无损伤，断裂位置为角钢自下而上约260 mm两开孔处，其中一开孔标记为1#圆孔，另一开孔标记为2#圆孔[见图1（a）]。1#圆孔安装产生的磨痕较其他孔明显[见图1（b）]，1#圆孔的形状不规则，经测量，圆孔圆度为0.33 mm；观察角钢断口，发现断口呈人字纹走向，人字纹分别向角钢两个开孔位置处汇聚[见图1（c）]，两条裂纹在角钢R角处汇合，形成台阶[见图1（d）]，两个断裂面均具有明显的脆性断口特征。
1.2 化学成分分析
依据标准JIS G 1253—2002《铁、钢火花源原子发射光谱分析方法》，采用真空直读光谱仪对断裂角钢进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知：P元素质量分数高于标准值，其余化学元素符合标准GB/T 1591—2018《低合金高强度结构钢》对Q355B钢的要求。P元素含量高会降低角钢的塑性和冲击韧性，从而使钢的脆性增大[8]。
Table 1.断裂角钢的化学成分分析结果
1.3 金相检验
在断口附近、远离断口部位截取试样，依据标准GB/T 10561—2023《钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级显微检验法》，将试样置于光学显微镜下观察，检验级别均为：A2.0、B0.0、C>3.0、D0.5、Ds0.0级，断口附近及远离断口部位夹杂物均沿着钢板轧制方向分布[见图2（a）、2（b）]。断口附近伴有少量较直的二次裂纹[见图2（a）]，在距断口约10 mm处发现一条沿钢板厚度方向长度约为3 mm的裂纹[见图2（c）]，裂纹两侧存在较多孔洞，裂纹内部存在较多的非金属夹杂物。
依据标准GB/T 13298—2015《金属显微组织检验方法》、GB/T 6394—2017《金属平均晶粒度测定方法》，用光学显微镜分别对断口附近、远离断口部位进行显微组织及晶粒度检验。断口附近和远离断口的显微组织均为铁素体+珠光体，铁素体晶粒度级别为8.5级[见图3（a）、3（b）]，未发现过热、过烧、欠热等其他异常组织[9-10]。带状组织沿轧制方向分布，级别均为2.5级，断口附近的二次裂纹具有穿晶扩展特征[见图3（c）]；距断口约10 mm处的裂纹附近显微组织与其他位置相同，裂纹周边存在较多孔洞[见图3（d）]。
依据标准GB/T 224—2019《钢的脱碳层深度测定法》对角钢内、外表面进行脱碳检验，结果如图4所示。由图4可知：角钢内、外表面均存在部分脱碳现象。依据标准GB/T 6462—2005《金属和氧化物覆盖层 厚度测量 显微镜法》对角钢镀锌层厚度进行测量，内表面镀锌层厚度为181~194 μm，外表面镀锌层厚度为181~195 μm。
1.4 力学性能测试
1.4.1 弯曲试验
依据标准GB/T 232—2024《金属材料 弯曲试验方法》，采用弯曲试验机对远离断口的试样进行弯曲试验，弯曲直径为20 mm，弯曲角度为180°，试样表面未出现裂纹等缺陷，说明角钢的弯曲性能良好。
1.4.2 拉伸试验
依据标准GB/T 228.1—2021《金属材料 拉伸试验 第1部分:室温试验方法》，采用电子万能试验机对远离断口的试样进行拉伸试验，结果如表2所示。由表2可知：角钢的抗拉强度、屈服强度均满足标准GB/T 1591—2018的要求。
Table 2.远离断口试样的室温拉伸试验结果
1.4.3 冲击试验
依据标准GB/T 229—2020《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》，分别在-10，0，25 ℃温度下，采用冲击试验机对远离断口试样进行冲击试验，试样尺寸为10 mm×7.5 mm×55 mm（长度×宽度×高度），结果如表3所示。由表3可知：随着温度的降低，角钢的冲击吸收能量也降低，其中室温冲击吸收能量接近标准GB/T 1591—2018要求的下限值，模拟环境温度（－10 ℃）的冲击吸收能量较低，说明材料的冲击韧性较差。
Table 3.冲击试验结果
1.5 扫描电镜和能谱分析
利用扫描电子显微镜观察角钢断口的形貌，结果如图5所示。由图5可知：断口存在较为明显的河流花样，河流花样沿着角钢厚度方向最终汇聚到角钢开孔处，此处为开裂源区；高倍下断面呈解理形貌，具有脆性断口特征；断口表面存在较多团絮状的物质。进一步对断口进行能谱分析，结果如图6所示。由图6可知，团絮状的物质主要为硅酸盐类夹杂物。
2. 综合分析
（1）断口呈人字纹走向，分别向角钢两开孔位置汇聚，两条裂纹在角钢R角处汇合，并形成台阶，两个断裂面均具有明显的脆性断口特征。1#开孔圆度不足，在使用过程中受力不均匀，铁塔整体安装完成后，塔杆随风轻微摆动，底座固定不动，导致角钢横截面受到横向载荷的作用，使螺栓连接开孔处所受的横向载荷增大。
（2）角钢中P元素含量超出GB/T 1591—2018对Q355B钢的要求，P元素含量的增加会降低冷塑性变形能力，导致钢的冷脆性增大；其余化学元素的含量符合要求。
（3）角钢中存在大量沿轧制方向分布的非金属夹杂物，夹杂物含量的增加降低了钢的韧性，钢的断裂韧性随着夹杂物含量的增加而下降，大量的非金属夹杂物导致其显微组织不连续，角钢在低温服役过程中极易发生脆断[11-12]。断口附近及远离断口部位的显微组织均为铁素体+珠光体，属于该材料的正常组织。晶粒度检验结果显示铁素体晶粒度为8.5级，未发现晶粒粗大现象。其中，带状组织级别在可接受范围之内，二次裂纹穿晶扩展，具有脆性断裂的特征，整个受检面未发现过热、过烧、欠热等异常组织。
（4）角钢的力学性能均满足GB/T 1591—2018对Q355B钢的要求，但其常温冲击吸收能量接近标准要求的下限值，模拟环境温度的冲击吸收能量较低，表明材料的冲击韧性较差。当材料受到垂直于轧制方向的载荷时，易发生脆性断裂。
（5）整个断面呈现脆性断口特征，同时在断口表面存在较多的团絮状物质，团絮状物质主要为硅酸盐类夹杂物。
3. 结语
（1）角钢中P元素含量超出标准要求，增大了钢的脆性开裂倾向。
（2）非金属夹杂物含量较高，导致角钢在低温服役过程中极易发生脆性断裂。
（3）开孔形状不规则导致角钢受力不均匀，铁塔在使用过程中，角钢与底座连接位置有轻微摆动，导致对应位置角钢受到横向载荷的作用，而开孔处的承载能力低于未开孔处，大量的非金属夹杂物导致其韧性降低，使材料难以承受摆动产生的横向载荷作用，而在开孔处发生断裂现象。