商用Cu-Mg合金吊弦应力腐蚀断裂分析

2019-03-04李平平梁会雷许乐乐

失效分析与预防 2019年1期

李平平，梁会雷，许乐乐

(1.中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司，江苏常州 213011； 2.中铁建电气化局集团轨道交通器材有限公司，江苏常州 213164)

0 引言

吊弦是链型悬挂接触网的重要组成部分，使接触线在不增加支柱的情况下增加悬挂点，通过调整吊弦长度，可使接触线在整个跨距内对轨面的距离保持一致，减小驰度，提高稳定性。电气化铁路主要采用的吊弦有刚性吊弦、环节吊弦和整体吊弦3种，现阶段我国通用吊弦以整体吊弦为主。实际运营中，整体吊弦在交变应力作用下发生断裂的事故时有发生，国内外学者[1-4]对吊弦进行了仿真和疲劳性能试验，认为在高速运行中，吊弦是保证优良运行特性的不可或缺的关键部件。

目前，国内外高速铁路均采用铜合金接触线[5-6]，其中，最为广泛的是铜镁合金接触线和铜锡合金接触线。我国经过研究开发，已使铜镁合金接触线的机电性能大幅度提高，具有强度高、导电性能好的特点。本研究对现役铜镁合金接触线在某南方路段隧道内频繁发生的断裂故障原因进行分析，并提出有效的预防措施。

1 试验过程与结果

1.1 吊弦宏观分析

图1a为高铁站吊弦的一般服役情况，用于连接和固定上下接触线。为了便于描述，特将其按安装位置定义为上中下3段。图1b为断裂吊弦实物照片。通过对断裂吊弦的宏观分析可知：1)吊弦上、下端卡环对应位置的吊弦存在断裂现象，中间段则未发生断裂；2)断裂处未见明显塑性变形和磕碰、擦伤等异常损伤情况，表现为脆性断裂特征；3)吊弦表面附着一层灰黑色疑似腐蚀产物，通过擦拭可去除。

1.2 微观形貌和能谱分析

对吊弦断裂部位进行原位观察和分析，结果如图2、图3所示。由图2可知：断裂处无明显缩颈现象，表现为脆性断裂；断面被腐蚀产物覆盖，形貌不易观察，断口周边外表面多处亦可见腐蚀产物。腐蚀产物含有较多量的Cl-和S2-等强腐蚀性元素(图3)。

对断裂吊弦进行清洗后观察断口，结果见图4，可以看到：断面未见疲劳弧线等典型的疲劳特征，整体呈快速沿晶扩展断裂，根据放射状裂纹收敛方向可判断起裂部位为吊弦表面；断口中部存多条与扩展方向垂直的二次裂纹，放大形貌可见这些裂纹均沿纤维方向扩展，亦沿晶扩展。

对一股吊弦进行对称弯曲试验，结果发现，吊弦脆性很大，在弯曲数次后全部断裂，断口如图5所示。两侧疲劳弧线清晰可见，中间瞬断区为韧窝形貌，表现为典型的疲劳断口特征。

1.3 金相和硬度检查

断裂吊弦金相检查结果见图6。横向组织细密，晶界无法观察，与图4中微观形貌吻合，晶粒尺寸不足0.5 μm，在光学显微镜下难以辨别(图6a)；纵向组织则呈纤维状，加工变形量大(图6b)。铜合金随着加工变形量的增加，其加工硬化率也随之增高，出现加工硬化现象，如果变形量再增大，材料即会发生脆性断裂。

对断裂吊弦进行退火(600 ℃保温0.5 h)处理后的金相组织如图7所示。经过再结晶后，组织为α等轴晶+孪晶，奥氏体晶粒度约为5级，略显过热。

硬度测试结果见表1，吊弦原始态硬度高达HV 180，说明加工硬化程度很高。

图3 断裂面附着物成分分析Fig.3 Composition analysis results of attachment on fracture surface

表1 硬度对比Table 1 Hardness comparison HV0.3

2 分析与讨论

根据检查结果可知：吊弦材质为铜镁合金，断裂主要发生于上下端卡环对应位置，断裂处无缩颈呈脆性断裂特征，断裂面沿晶界扩展，整体表现为应力腐蚀断裂[7-9]。断裂原因可以从3个方面考虑：

1)材质。吊弦材质为铜镁合金，具有较高的应力腐蚀敏感性，这也是应力腐蚀失效多发生于铜合金、铝合金、不锈钢等材质构件上的原因[10-12]。

2)应力。第一，吊弦通过冷拉成型，加工硬化严重，残余应力高；第二，上下端位置吊弦通过折弯安装，尤其外侧引入拉应力更为明显，这也是裂源位于吊弦外侧的主要原因；第三，受自重和接触线重力以及受电弓过往形成的冲击力作用；此外，有研究表明，压应力下应力腐蚀仍然可以发生[13]。

3)环境Cl-和S2-等强腐蚀性介质。在隧道等湿度大、空气流动性较差的相对密闭的空间内，腐蚀速率大大提高。

因此，针对上述分析，提出以下预防措施：1)在吊弦加工方面，对吊弦加工率进行控制，防止变形量过大造成加工硬化和残余应力过高，同时增加去应力处理工序；2)在安装调试方面，首先，避免吊弦表面受损造成局部应力集中，其次，可对卡环处吊弦折弯工艺进行优化，降低外侧吊弦折弯引入的拉应力；3)对吊弦进行喷漆处理，隔绝Cl-和S2-等腐蚀性介质；4)进行试验验证，对上述因素进行综合的应力腐蚀试验，完成整体评估，提高吊弦可靠性。