商用Cu-Mg合金吊弦應(yīng)力腐蝕斷裂分析

李平平，梁會雷，許樂樂

(1.中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司，江蘇 常州 213011； 2.中鐵建電氣化局集團(tuán)軌道交通器材有限公司，江蘇 常州 213164)

0 引言

吊弦是鏈型懸掛接觸網(wǎng)的重要組成部分，使接觸線在不增加支柱的情況下增加懸掛點，通過調(diào)整吊弦長度，可使接觸線在整個跨距內(nèi)對軌面的距離保持一致，減小馳度，提高穩(wěn)定性。電氣化鐵路主要采用的吊弦有剛性吊弦、環(huán)節(jié)吊弦和整體吊弦3種，現(xiàn)階段我國通用吊弦以整體吊弦為主。實際運營中，整體吊弦在交變應(yīng)力作用下發(fā)生斷裂的事故時有發(fā)生，國內(nèi)外學(xué)者[1-4]對吊弦進(jìn)行了仿真和疲勞性能試驗，認(rèn)為在高速運行中，吊弦是保證優(yōu)良運行特性的不可或缺的關(guān)鍵部件。

目前，國內(nèi)外高速鐵路均采用銅合金接觸線[5-6]，其中，最為廣泛的是銅鎂合金接觸線和銅錫合金接觸線。我國經(jīng)過研究開發(fā)，已使銅鎂合金接觸線的機(jī)電性能大幅度提高，具有強度高、導(dǎo)電性能好的特點。本研究對現(xiàn)役銅鎂合金接觸線在某南方路段隧道內(nèi)頻繁發(fā)生的斷裂故障原因進(jìn)行分析，并提出有效的預(yù)防措施。

1 試驗過程與結(jié)果

1.1 吊弦宏觀分析

圖1a為高鐵站吊弦的一般服役情況，用于連接和固定上下接觸線。為了便于描述，特將其按安裝位置定義為上中下3段。圖1b為斷裂吊弦實物照片。通過對斷裂吊弦的宏觀分析可知：1)吊弦上、下端卡環(huán)對應(yīng)位置的吊弦存在斷裂現(xiàn)象，中間段則未發(fā)生斷裂；2)斷裂處未見明顯塑性變形和磕碰、擦傷等異常損傷情況，表現(xiàn)為脆性斷裂特征；3)吊弦表面附著一層灰黑色疑似腐蝕產(chǎn)物，通過擦拭可去除。

1.2 微觀形貌和能譜分析

對吊弦斷裂部位進(jìn)行原位觀察和分析，結(jié)果如圖2、圖3所示。由圖2可知：斷裂處無明顯縮頸現(xiàn)象，表現(xiàn)為脆性斷裂；斷面被腐蝕產(chǎn)物覆蓋，形貌不易觀察，斷口周邊外表面多處亦可見腐蝕產(chǎn)物。腐蝕產(chǎn)物含有較多量的Cl-和S2-等強腐蝕性元素(圖3)。

對斷裂吊弦進(jìn)行清洗后觀察斷口，結(jié)果見圖4，可以看到：斷面未見疲勞弧線等典型的疲勞特征，整體呈快速沿晶擴(kuò)展斷裂，根據(jù)放射狀裂紋收斂方向可判斷起裂部位為吊弦表面；斷口中部存多條與擴(kuò)展方向垂直的二次裂紋，放大形貌可見這些裂紋均沿纖維方向擴(kuò)展，亦沿晶擴(kuò)展。

對一股吊弦進(jìn)行對稱彎曲試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，吊弦脆性很大，在彎曲數(shù)次后全部斷裂，斷口如圖5所示。兩側(cè)疲勞弧線清晰可見，中間瞬斷區(qū)為韌窩形貌，表現(xiàn)為典型的疲勞斷口特征。

1.3 金相和硬度檢查

斷裂吊弦金相檢查結(jié)果見圖6。橫向組織細(xì)密，晶界無法觀察，與圖4中微觀形貌吻合，晶粒尺寸不足0.5 μm，在光學(xué)顯微鏡下難以辨別(圖6a)；縱向組織則呈纖維狀，加工變形量大(圖6b)。銅合金隨著加工變形量的增加，其加工硬化率也隨之增高，出現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象，如果變形量再增大，材料即會發(fā)生脆性斷裂。

對斷裂吊弦進(jìn)行退火(600 ℃保溫0.5 h)處理后的金相組織如圖7所示。經(jīng)過再結(jié)晶后，組織為α等軸晶+孿晶，奧氏體晶粒度約為5級，略顯過熱。

硬度測試結(jié)果見表1，吊弦原始態(tài)硬度高達(dá)HV 180，說明加工硬化程度很高。

圖3 斷裂面附著物成分分析Fig.3 Composition analysis results of attachment on fracture surface

表1 硬度對比Table 1 Hardness comparison HV0.3

2 分析與討論

根據(jù)檢查結(jié)果可知：吊弦材質(zhì)為銅鎂合金，斷裂主要發(fā)生于上下端卡環(huán)對應(yīng)位置，斷裂處無縮頸呈脆性斷裂特征，斷裂面沿晶界擴(kuò)展，整體表現(xiàn)為應(yīng)力腐蝕斷裂[7-9]。斷裂原因可以從3個方面考慮：

1)材質(zhì)。吊弦材質(zhì)為銅鎂合金，具有較高的應(yīng)力腐蝕敏感性，這也是應(yīng)力腐蝕失效多發(fā)生于銅合金、鋁合金、不銹鋼等材質(zhì)構(gòu)件上的原因[10-12]。

2)應(yīng)力。第一，吊弦通過冷拉成型，加工硬化嚴(yán)重，殘余應(yīng)力高；第二，上下端位置吊弦通過折彎安裝，尤其外側(cè)引入拉應(yīng)力更為明顯，這也是裂源位于吊弦外側(cè)的主要原因；第三，受自重和接觸線重力以及受電弓過往形成的沖擊力作用；此外，有研究表明，壓應(yīng)力下應(yīng)力腐蝕仍然可以發(fā)生[13]。

3)環(huán)境Cl-和S2-等強腐蝕性介質(zhì)。在隧道等濕度大、空氣流動性較差的相對密閉的空間內(nèi)，腐蝕速率大大提高。

因此，針對上述分析，提出以下預(yù)防措施：1)在吊弦加工方面，對吊弦加工率進(jìn)行控制，防止變形量過大造成加工硬化和殘余應(yīng)力過高，同時增加去應(yīng)力處理工序；2)在安裝調(diào)試方面，首先，避免吊弦表面受損造成局部應(yīng)力集中，其次，可對卡環(huán)處吊弦折彎工藝進(jìn)行優(yōu)化，降低外側(cè)吊弦折彎引入的拉應(yīng)力；3)對吊弦進(jìn)行噴漆處理，隔絕Cl-和S2-等腐蝕性介質(zhì)；4)進(jìn)行試驗驗證，對上述因素進(jìn)行綜合的應(yīng)力腐蝕試驗，完成整體評估，提高吊弦可靠性。

3 結(jié)論

1)吊弦斷裂性質(zhì)為應(yīng)力腐蝕開裂，其原因主要是采用了高敏感性的銅鎂合金材質(zhì)，疊加大的殘余應(yīng)力和工作載荷，且外部直接暴露于含Cl-和S2-的腐蝕性介質(zhì)中，最終導(dǎo)致吊弦發(fā)生早期應(yīng)力腐蝕斷裂。

2)經(jīng)對吊弦加工率進(jìn)行控制，并在加工后進(jìn)行去應(yīng)力處理和成品表面噴漆，類似故障率大幅度減少。