工作温度对TP2铜管组织与性能的影响规律研究①

2021-09-15鲁海洋于海然崔志国薛学栋蔡圳阳肖来荣

矿冶工程 2021年4期

鲁海洋，于海然，崔志国，陈曦，薛学栋，蔡圳阳，肖来荣

（1．中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛266111；2．中南大学材料科学与工程学院，湖南长沙410083；3．有色金属材料科学与工程教育部重点实验室，湖南长沙410083）

磷脱氧铜由于其优良的导电性、导热性、耐蚀性和加工性能，常被加工成导电铜管、热交换管、冷凝管以及气体和液体的运输管道使用［1－3］。TP2铜（Cu含量不低于99．90%，P含量在0．015%～0．040%之间）是典型的磷脱氧铜［4－6］，是目前我国高速列车车顶高压导电铜管选用牌号。由于高速列车车顶高压铜导体需要常年在露天环境工作，工作温度常在－30～100℃之间波动，掌握TP2铜管在该温度段的组织与性能变化情况对于高速列车安全行驶至关重要。

目前国内外学者对TP2铜开展了广泛研究，但主要集中在成分控制、加工工艺优化、组织性能分析以及失效行为研究等方面［7－14］，对于TP2铜管在中低工作温度段的组织与性能研究较少。本文结合高速列车车顶TP2铜导体在南北方不同气温运行且由于承载了高电压大电流、包裹了绝缘塑料外皮导致少量温升的实际情况，重点探究了TP2铜管在－30～100℃典型工作温度范围内的组织与力学性能变化。

1 实验材料及方法

实验采用管径Φ25 mm、壁厚3 mm的M态TP2铜管作为研究对象，使用型号为SPECTRO BLUE SOP的等离子光谱仪，通过电感耦合等离子体原子发射光谱（ICP-AES）法测得其化学成分，如表1所示。可见合金中P含量0．021%，杂质总含量小于0．1%，符合国标GB／T 5231—2012对TP2铜管化学成分的要求。

表1 TP2铜管化学成分（质量分数）／%

将TP2铜管试样置于恒温环境箱中，在－30℃、－20℃、－10℃、0℃、25℃、50℃、75℃和100℃下分别保温12 h，利用200HVS－10型数显小负荷维氏硬度计测定TP2铜材料的维氏硬度。为全面评估温度对TP2铜管硬度的影响，分别在TP2铜管的外表面、内表面以及横截面的外侧、中部和内部（依次命名为A区、B区、C区、D区和E区）测试材料硬度，如图1所示。为提高硬度测试数据的可信度，各个区域测试5次硬度后取其平均值。同时，对在不同温度段保温12 h的TP2铜管分别取样进行金相分析，试样经打磨和抛光处理后，腐蚀处理5 min（腐蚀剂为2．7 g Fe（NO3）3＋10 mL H2O＋10 mL C2H5OH），在LEICAMC120金相显微镜下观察金相组织。

图1 TP2铜管硬度测试区域示意

为研究在不同温度服役时铜管的性能变化，按照GB／T 228—2010中第一部分金属材料拉伸实验方法，在TP2铜管上沿挤压方向切割拉伸试样，尺寸如图2所示，利用配备恒温箱的Instron1342型万能试验机进行拉伸试验。将拉伸试样的夹持段压平，平行段保持管材原有的弧度，拉伸试验温度分别设置为－30℃、－20℃、－10℃、0℃、25℃、50℃、75℃和100℃，在试样达到试验温度后继续保温15 min后开始拉伸试验，拉伸速度为2 mm／min，每个温度点进行3次拉伸试验，并计算平均值及误差。此后，采用Quanta－200型环境扫描电镜对TP2铜材料断口形貌进行分析。

图2 TP2铜管拉伸试样尺寸示意图（单位：mm）

2 实验结果与讨论

TP2铜管在不同温度下保温12 h后的金相照片见图3，相应的晶粒度见表2。从图3可以看出，TP2在中温和低温下保温12 h后，金相组织形貌并未产生特别明显的变化，晶粒均呈不规则等轴状，在晶粒内部可发现部分退火孪晶组织。在－30～0℃的低温区域，TP2铜管金相组织未见明显变化。从－30℃到0℃，晶粒度变化幅度很小；从25℃到100℃，晶粒度则出现较为明显地下降且下降趋势越来越快。温度由－30℃升至100℃保温12 h，TP2铜晶粒度降低幅度达10．39%，表明温度升高促进了晶粒长大，尤其是温度超过75℃以后，晶粒长大趋势更明显。

图3 TP2铜管在不同温度下保温12 h后的金相照片

表2 在不同温度下保温12 h后的TP2铜管晶粒度

图4为不同温度保温12 h后TP2铜管不同区域的硬度数据。由图4可以发现，随着保温温度上升，TP2铜硬度值呈不断下降趋势。综合ABCDE不同区域的硬度数据，计算得到－30℃、－20℃、－10℃、0℃、25℃、50℃、75℃和100℃保温12 h后铜管的平均硬度值分别为52．86HV、52．35HV、51．89HV、51．44HV、51．04HV、50．72HV、50．27HV和49．88HV，可以看出，在－30～100℃内保温12 h，并不会对TP2铜管硬度产生显著影响，铜管始终仍处于M态。从－30℃到100℃，TP2铜硬度值下降不到3HV，下降幅度为5．64%。

图4 在不同温度保温12 h后TP2铜管不同区域的硬度

图5为TP2铜管在不同温度下的拉伸性能数据。从图5（a）可以看出，在－30～100℃区间内，TP2铜管的抗拉强度总体上随温度上升而下降。TP2铜在－30℃保温环境下的抗拉强度为263．25 MPa，而100℃时下降至217．09 MPa，下降幅度达17．53%。这可能是温度的变化导致金属内部位错运动阻力变化［15－16］，温度升高时，金属内部的变形机制发生变化，位错开动所需要的临界应力降低，表现为金属抗拉强度下降。从图5（b）可以发现工作温度降低会使TP2铜管延伸率出现一定程度下降，尤其是在－30～0℃低温区域；由于TP2铜塑性较好，在－30～100℃温度区间内TP2铜管延伸率始终保持在50%以上。

图5 TP2铜管在不同温度下的拉伸性能

图6为TP2铜管在25℃下的拉伸断口形貌。由图6发现，TP2铜拉伸断口区域存在大量韧窝，韧窝深度较大且大小较为均匀，表明TP2铜材韧性较好，断裂方式为韧性断裂。

图6 TP2铜管在25℃下的拉伸断口形貌

综合分析TP2铜管在－30～100℃工作温度区间的金相组织、硬度、抗拉强度和延伸率变化，发现TP2铜管在该温度区域内均表现出良好的综合性能，能够满足高速列车车顶环境的服役需求［17］。值得注意的是，当环境温度长时间50℃以上时，TP2铜管抗拉强度下降幅度较大，因此应充分考虑高速列车的TP2铜管承力结构区域这一特性，在结构设计层面予以优化，并及时检修相关部位。