工作溫度對(duì)TP2銅管組織與性能的影響規(guī)律研究①

魯海洋，于海然，崔志國(guó)，陳 曦，薛學(xué)棟，蔡圳陽(yáng)，肖來(lái)榮

（1．中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島266111；2．中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410083；3．有色金屬材料科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙410083）

磷脫氧銅由于其優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、耐蝕性和加工性能，常被加工成導(dǎo)電銅管、熱交換管、冷凝管以及氣體和液體的運(yùn)輸管道使用［1－3］。TP2銅（Cu含量不低于99．90%，P含量在0．015%～0．040%之間）是典型的磷脫氧銅［4－6］，是目前我國(guó)高速列車車頂高壓導(dǎo)電銅管選用牌號(hào)。由于高速列車車頂高壓銅導(dǎo)體需要常年在露天環(huán)境工作，工作溫度常在－30～100℃之間波動(dòng)，掌握TP2銅管在該溫度段的組織與性能變化情況對(duì)于高速列車安全行駛至關(guān)重要。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)TP2銅開(kāi)展了廣泛研究，但主要集中在成分控制、加工工藝優(yōu)化、組織性能分析以及失效行為研究等方面［7－14］，對(duì)于TP2銅管在中低工作溫度段的組織與性能研究較少。本文結(jié)合高速列車車頂TP2銅導(dǎo)體在南北方不同氣溫運(yùn)行且由于承載了高電壓大電流、包裹了絕緣塑料外皮導(dǎo)致少量溫升的實(shí)際情況，重點(diǎn)探究了TP2銅管在－30～100℃典型工作溫度范圍內(nèi)的組織與力學(xué)性能變化。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)采用管徑Φ25 mm、壁厚3 mm的M態(tài)TP2銅管作為研究對(duì)象，使用型號(hào)為SPECTRO BLUE SOP的等離子光譜儀，通過(guò)電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜（ICP-AES）法測(cè)得其化學(xué)成分，如表1所示。可見(jiàn)合金中P含量0．021%，雜質(zhì)總含量小于0．1%，符合國(guó)標(biāo)GB／T 5231—2012對(duì)TP2銅管化學(xué)成分的要求。

表1 TP2銅管化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）／%

將TP2銅管試樣置于恒溫環(huán)境箱中，在－30℃、－20℃、－10℃、0℃、25℃、50℃、75℃和100℃下分別保溫12 h，利用200HVS－10型數(shù)顯小負(fù)荷維氏硬度計(jì)測(cè)定TP2銅材料的維氏硬度。為全面評(píng)估溫度對(duì)TP2銅管硬度的影響，分別在TP2銅管的外表面、內(nèi)表面以及橫截面的外側(cè)、中部和內(nèi)部（依次命名為A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)、D區(qū)和E區(qū)）測(cè)試材料硬度，如圖1所示。為提高硬度測(cè)試數(shù)據(jù)的可信度，各個(gè)區(qū)域測(cè)試5次硬度后取其平均值。同時(shí)，對(duì)在不同溫度段保溫12 h的TP2銅管分別取樣進(jìn)行金相分析，試樣經(jīng)打磨和拋光處理后，腐蝕處理5 min（腐蝕劑為2．7 g Fe（NO3）3＋10 mL H2O＋10 mL C2H5OH），在LEICAMC120金相顯微鏡下觀察金相組織。

圖1 TP2銅管硬度測(cè)試區(qū)域示意

為研究在不同溫度服役時(shí)銅管的性能變化，按照GB／T 228—2010中第一部分金屬材料拉伸實(shí)驗(yàn)方法，在TP2銅管上沿?cái)D壓方向切割拉伸試樣，尺寸如圖2所示，利用配備恒溫箱的Instron1342型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。將拉伸試樣的夾持段壓平，平行段保持管材原有的弧度，拉伸試驗(yàn)溫度分別設(shè)置為－30℃、－20℃、－10℃、0℃、25℃、50℃、75℃和100℃，在試樣達(dá)到試驗(yàn)溫度后繼續(xù)保溫15 min后開(kāi)始拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為2 mm／min，每個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行3次拉伸試驗(yàn)，并計(jì)算平均值及誤差。此后，采用Quanta－200型環(huán)境掃描電鏡對(duì)TP2銅材料斷口形貌進(jìn)行分析。

圖2 TP2銅管拉伸試樣尺寸示意圖（單位：mm）

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

TP2銅管在不同溫度下保溫12 h后的金相照片見(jiàn)圖3，相應(yīng)的晶粒度見(jiàn)表2。從圖3可以看出，TP2在中溫和低溫下保溫12 h后，金相組織形貌并未產(chǎn)生特別明顯的變化，晶粒均呈不規(guī)則等軸狀，在晶粒內(nèi)部可發(fā)現(xiàn)部分退火孿晶組織。在－30～0℃的低溫區(qū)域，TP2銅管金相組織未見(jiàn)明顯變化。從－30℃到0℃，晶粒度變化幅度很?。粡?5℃到100℃，晶粒度則出現(xiàn)較為明顯地下降且下降趨勢(shì)越來(lái)越快。溫度由－30℃升至100℃保溫12 h，TP2銅晶粒度降低幅度達(dá)10．39%，表明溫度升高促進(jìn)了晶粒長(zhǎng)大，尤其是溫度超過(guò)75℃以后，晶粒長(zhǎng)大趨勢(shì)更明顯。

圖3 TP2銅管在不同溫度下保溫12 h后的金相照片

表2 在不同溫度下保溫12 h后的TP2銅管晶粒度

圖4為不同溫度保溫12 h后TP2銅管不同區(qū)域的硬度數(shù)據(jù)。由圖4可以發(fā)現(xiàn)，隨著保溫溫度上升，TP2銅硬度值呈不斷下降趨勢(shì)。綜合ABCDE不同區(qū)域的硬度數(shù)據(jù)，計(jì)算得到－30℃、－20℃、－10℃、0℃、25℃、50℃、75℃和100℃保溫12 h后銅管的平均硬度值分別為52．86HV、52．35HV、51．89HV、51．44HV、51．04HV、50．72HV、50．27HV和49．88HV，可以看出，在－30～100℃內(nèi)保溫12 h，并不會(huì)對(duì)TP2銅管硬度產(chǎn)生顯著影響，銅管始終仍處于M態(tài)。從－30℃到100℃，TP2銅硬度值下降不到3HV，下降幅度為5．64%。

圖4 在不同溫度保溫12 h后TP2銅管不同區(qū)域的硬度

圖5為TP2銅管在不同溫度下的拉伸性能數(shù)據(jù)。從圖5（a）可以看出，在－30～100℃區(qū)間內(nèi)，TP2銅管的抗拉強(qiáng)度總體上隨溫度上升而下降。TP2銅在－30℃保溫環(huán)境下的抗拉強(qiáng)度為263．25 MPa，而100℃時(shí)下降至217．09 MPa，下降幅度達(dá)17．53%。這可能是溫度的變化導(dǎo)致金屬內(nèi)部位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力變化［15－16］，溫度升高時(shí)，金屬內(nèi)部的變形機(jī)制發(fā)生變化，位錯(cuò)開(kāi)動(dòng)所需要的臨界應(yīng)力降低，表現(xiàn)為金屬抗拉強(qiáng)度下降。從圖5（b）可以發(fā)現(xiàn)工作溫度降低會(huì)使TP2銅管延伸率出現(xiàn)一定程度下降，尤其是在－30～0℃低溫區(qū)域；由于TP2銅塑性較好，在－30～100℃溫度區(qū)間內(nèi)TP2銅管延伸率始終保持在50%以上。

圖5 TP2銅管在不同溫度下的拉伸性能

圖6為TP2銅管在25℃下的拉伸斷口形貌。由圖6發(fā)現(xiàn)，TP2銅拉伸斷口區(qū)域存在大量韌窩，韌窩深度較大且大小較為均勻，表明TP2銅材韌性較好，斷裂方式為韌性斷裂。

圖6 TP2銅管在25℃下的拉伸斷口形貌

綜合分析TP2銅管在－30～100℃工作溫度區(qū)間的金相組織、硬度、抗拉強(qiáng)度和延伸率變化，發(fā)現(xiàn)TP2銅管在該溫度區(qū)域內(nèi)均表現(xiàn)出良好的綜合性能，能夠滿足高速列車車頂環(huán)境的服役需求［17］。值得注意的是，當(dāng)環(huán)境溫度長(zhǎng)時(shí)間50℃以上時(shí)，TP2銅管抗拉強(qiáng)度下降幅度較大，因此應(yīng)充分考慮高速列車的TP2銅管承力結(jié)構(gòu)區(qū)域這一特性，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)層面予以優(yōu)化，并及時(shí)檢修相關(guān)部位。

3 結(jié) 論

1）在－30～100℃溫度區(qū)間內(nèi)，隨著溫度升高，TP2銅管晶粒增大，晶粒度由8．95降至8．02，下降幅度為10．39%。

2）在－30～100℃溫度區(qū)間內(nèi)，TP2銅管硬度整體呈現(xiàn)隨溫度升高逐漸降低的趨勢(shì)，硬度變化幅度為5．64%。

3）在－30～100℃溫度區(qū)間內(nèi)，TP2銅的抗拉強(qiáng)度由263．25 MPa下降至217．09 MPa，下降幅度達(dá)17．53%。低溫段延伸率略有下降，但整個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)平均延伸率均保持在50%以上；TP2銅拉伸斷口存在大量韌窩，斷裂形式為韌性斷裂。