高速鐵路銅鎂合金彈性吊索失效分析

摘" 要： 該文利用掃描電子顯微鏡和金相顯微鏡觀察運行過程中斷裂的銅鎂合金彈性吊索樣品微觀形貌，對樣品表面的腐蝕產(chǎn)物進行能譜儀分析，并通過銅鎂合金冷壓焊模擬試驗，確定材料斷口處的異常組織。結果表明，樣品失效形式為腐蝕疲勞斷裂，在循環(huán)工作應力和含S、Cl的腐蝕性介質的共同作用下，在冷壓焊縫處出現(xiàn)點腐蝕和腐蝕疲勞裂紋，裂紋向材料內(nèi)擴展至完全斷開。建議在銅鎂合金彈性吊索生產(chǎn)時應盡可能避免冷壓焊或對冷壓焊表面進行應力處理及防護的措施。

關鍵詞：Cu-Mg合金；彈性吊索；冷壓焊；失效分析；腐蝕疲勞

中圖分類號：TG379 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2023）16-0075-04

Abstract： The micro-morphology of the elastic sling sample of copper-magnesium alloy broken during operation was observed by scanning electron microscope and metallographic microscope， the corrosion products on the surface of the sample were analyzed by energy dispersive spectrometer， and the simulation test of cold pressing welding of copper-magnesium alloy was carried out. Determine the abnormal structure at the fracture of the material. The results show that the failure mode of the sample is corrosion fatigue fracture. Under the combined action of cyclic working stress and corrosive medium containing S and Cl， pitting corrosion and corrosion fatigue cracks appear at the cold-pressed weld， and the cracks propagate into the material to break completely. It is suggested that cold pressure welding or stress treatment and protection measures should be avoided in the production of copper-magnesium alloy elastic slings.

Keywords： Cu-Mg alloy; elastic sling; cold pressing welding; failure analysis; corrosion fatigue

銅鎂合金是一種性能優(yōu)良的固溶強化型銅合金，抗拉強度大于500 MPa，導電率大于70%IACS，已成為高速鐵路接觸網(wǎng)用接觸線、承力索、彈性吊索的關鍵材料[1-4]。彈性吊索受環(huán)境污染和載荷變化的影響，加之自身結構、材料等多重因素，在運營過程中容易出現(xiàn)斷絲、斷股等故障，如圖1所示。當彈性吊索發(fā)生斷股時，接觸線高度無法保證，接觸網(wǎng)穩(wěn)定性急劇降低，影響受電弓正常運行，甚至會發(fā)生纏弓和打弓等事故[5]。因此，有必要以銅鎂合金彈性吊索為研究對象，分析斷裂原因，這對于確保接觸網(wǎng)服役可靠性、安全性具有重要意義。

1" 實驗材料及方法

實驗以現(xiàn)場運營發(fā)生斷裂的銅鎂合金彈性吊索為研究對象，其化學成分見表1，銅鎂合金中Mg含量為0.45 wt%，其余為Cu。進行銅鎂合金冷壓焊試驗時，也采用相同的合金成分，冷壓焊采用上海申辰線纜設備有限公司AC1510-B液動強力冷壓焊機。

采用Leica DVM6體式顯微鏡、Leica DM2500M金相顯微鏡和Sirion場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）對微觀組織進行觀察與分析。采用UH-200KN島津試驗機對材料的力學性能進行檢測。

2" 斷口的失效分析

2.1" 斷口宏觀形貌

圖2為體式顯微鏡下銅鎂合金絲斷口的宏觀形貌。從圖中可以看到，斷裂的銅絲表面附著大量暗灰色和銅綠色的腐蝕產(chǎn)物，斷口較為平坦，未見明顯塑性變形。由斷面的輻射狀花樣可以看出，斷裂由銅絲一端表面起始擴展，斷裂方向如圖中箭頭標示，后斷區(qū)有舌狀拉邊。

2.2" 斷口微觀觀察

圖3為掃描顯微鏡下銅鎂合金絲斷口的微觀形貌。從圖3（a）至（c）中可以看到，受腐蝕環(huán)境的影響，斷口腐蝕嚴重，表面附著大量蓬松腐蝕產(chǎn)物，導致大量斷口信息丟失。對斷口附近表面進行觀察，可見局部腐蝕產(chǎn)物剝落的點腐蝕坑（圖3（b））和表面裂紋（圖3（c）），裂紋呈現(xiàn)腐蝕疲勞開裂的特征。

圖4為掃描顯微鏡下銅鎂合金絲斷口擴展區(qū)和后斷區(qū)的微觀形貌及腐蝕產(chǎn)物能譜分析。從圖4（a）中可以看出在裂紋擴展區(qū)的疲勞輝紋，但是表面被腐蝕產(chǎn)物覆蓋。從圖4（b）中可以看出，后斷區(qū)存在較淺的韌窩組織，對其表面腐蝕產(chǎn)物進行能譜分析（圖4（c）），所含腐蝕產(chǎn)物元素主要有O、Cu、Al、Si、K和Ca等元素，并檢測到較高的S和Cl元素，表明彈性吊索所處的工作環(huán)境中含有的腐蝕性氣體。

2.3" 合金組織分析

從斷裂的銅鎂合金絲斷口附近截取剖面并制備成金相試樣，其組織如圖5和圖6所示。在未浸蝕狀態(tài)下（圖5），斷口上和斷口附近表面均附著腐蝕產(chǎn)物，厚度約20 μm，局部可見腐蝕凹坑，深度約50 μm。浸蝕后可觀察到（圖6），距離斷口約0.4～0.5 mm范圍內(nèi)，基體組織存在明顯的橫向形變，而遠離斷口的基體組織為正常纖維狀組織，疑似斷口位置為經(jīng)過冷壓焊加工的焊接接頭處。

3" 冷壓焊模擬試驗

3.1" 金相組織

圖7為彈性吊索用銅鎂合金絲冷壓焊后的金相組織。從圖7（a）可以看出，焊接接頭寬度約為1 mm，其組織形貌與基體完全不同。圖7（b）為焊接接頭中心區(qū)域的組織形貌，晶粒排列方向與基體相垂直，晶粒尺寸約為2～5 μm。圖7（c）為基體的組織形貌，晶粒沿單絲拉拔變形的方向拉長。通過與現(xiàn)場失效斷口金相（圖6）對比分析，可以看出彈性吊索斷裂發(fā)生在冷壓焊焊縫處。

3.2" 力學性能分析

對基體、焊接試樣及現(xiàn)場斷裂試樣進行力學性能檢測，力學性能見表2。從表中可以看出，銅鎂合金焊接后，材料的屈服強度由448 MPa下降至435 MPa，抗拉強度由649 MPa下降至624 MPa，斷后伸長率也出現(xiàn)了明顯的下降。對從現(xiàn)場斷口附近截取的銅絲也進行力學性能檢測，從表中可以看出，材料的屈服強度進一步下降至373 MPa，抗拉強度進一步下降至540 MPa。根據(jù)TB/T 3111—2017《電氣化鐵道用銅及銅合金絞線》相關標準，銅鎂合金單絲的抗拉強度要求大于589 MPa。因此，經(jīng)過冷壓焊處理的銅鎂合金性能雖有下降，但仍可以滿足標準要求。只是經(jīng)過弓網(wǎng)振動和環(huán)境腐蝕等影響，材料的力學性能有可能進一步降低，使性能指標無法滿足TB/T 3111—2017《電氣化鐵道用銅及銅合金絞線》相關標準的要求。

4" 分析與討論

冷壓焊作為材料的一種連接方式，可以不借助外界熱源或電流，在室溫條件下通過施加作用力，使被焊工件之間發(fā)生塑性變形，最終實現(xiàn)材料的固態(tài)焊接。該工藝生產(chǎn)簡單、效率高、成本低，在電線電纜行業(yè)得到了廣泛的應用。我國鐵路行業(yè)標準TB/T 3111—2017《電氣化鐵路用銅及銅合金絞線》[6]中也規(guī)定了“絞制過程中，單線的接頭應采用冷壓焊”。

根據(jù)金屬冷壓焊結合機理，冷壓焊后材料的性能主要靠細晶之間形成的晶界結合力[7-8]。從圖7（b）可以看出，焊接接頭處的晶粒組織較基體小很多，但是由于晶粒排列方式出現(xiàn)明顯的改變，導致材料力學性能出現(xiàn)一定程度的下降。同時由于彈性吊索在實際使用中還要承受高速列車通過時引起的弓網(wǎng)振動和環(huán)境腐蝕，嚴重影響其性能和承載能力，其力學性能進一步降低，通過力學性能試驗得知，其性能已經(jīng)不能滿足TB/T 3111—2017《電氣化鐵道用銅及銅合金絞線》標準的要求。

通過SEM觀察可以得知，在循環(huán)工作應力和含S、Cl的腐蝕性介質的共同作用下，冷壓焊縫表面發(fā)生點腐蝕，腐蝕最大深度達0.05 mm，并且焊縫表面出現(xiàn)了多條腐蝕疲勞裂紋，沿垂直于拉應力的方向擴展，說明疲勞裂紋沿薄弱的冷壓焊縫腐蝕萌生裂紋，并在腐蝕性介質和交變載荷的作用下向內(nèi)擴展至完全斷開。而斷裂單線附近的其他銅線仍完好，這表明銅線經(jīng)過冷壓焊后，在焊縫形成取向不同的橫向組織，導致材料軸向強度偏低，這是銅線發(fā)生腐蝕疲勞開裂的主要原因，此外含S、Cl的潮濕性腐蝕介質也起一定程度促進作用。因此，建議高速鐵路用銅鎂合金在生產(chǎn)時應盡可能避免冷壓焊，經(jīng)過冷壓焊處理的合金絲也應經(jīng)過去表面應力處理，消除材料表面的殘余應力，同時通過材料表面涂層抑制化學、電化學腐蝕介質，從而達到保護合金絲、提高腐蝕疲勞壽命的目的。

5" 結束語

1）彈性吊索的失效形式為腐蝕疲勞斷裂，疲勞源為冷壓焊縫處的點腐蝕和腐蝕疲勞裂紋。

2）銅鎂合金經(jīng)過冷壓焊處理后，在焊縫形成取向不同的橫向組織，導致材料軸向強度偏低是銅線發(fā)生腐蝕疲勞開裂的主要原因。

3）建議鎂合金在生產(chǎn)時應盡可能避免冷壓焊或對冷壓焊表面進行應力處理及防護。

參考文獻：

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