銅鎂合金接觸線低周疲勞分析

覃作祥，李克欣，陸興

(大連交通大學 材料科學與工程學院，遼寧 大連 116028)

0 引言

2010年12月7日～9日，第七屆世界高速鐵路大會在北京召開.中國已成為世界上高速鐵路發展最快、系統技術最全、集成能力最強、運營里程最長、運營速度最高、在建規模最大的國家，高鐵營業里程達到8358 km，在建里程1.7 萬 km［1］.

接觸線作為電氣化鐵路接觸網中關鍵構件，磨損、腐蝕和斷裂是其三種主要破壞形式，由于磨損和腐蝕進程很慢，一般可以通過定期更換零件或修理來解決，而斷裂發生時，往往導致災難性的設備事故和人身事故，所以斷裂破壞更被重視.接觸線在循環變化的載荷或隨機載荷作用下工作，疲勞是其主要失效形式.

接觸線在受電弓抬升力和風、雨等自然環境作用下，接觸線很容易產生振動，振幅越大，導線越易疲勞［5-6］.Starke.P［7］以金屬的機械遲滯、溫度和電阻值為基礎，研究了疲勞評估和疲勞壽命計算，得出S-N曲線的快速精確的計算方法.Srivatsan.T.S.［8］等研究了彌散強化銅在拉壓循環疲勞下的疲勞失效行為，得出疲勞壽命的變化規律.張迎輝［9］等研究了銅銀合金的低周疲勞性能，得出其基本疲勞性能和組織變化情況.因此，本文通過研究銅鎂合金的低周疲勞性能期望為接觸線的實際使用壽命和設計提供積極的參考價值.

1 試驗方法

本試驗用的材料為從實際接觸線中截取的含鎂0.44%的銅鎂合金，抗拉強度約為570 Pa，彈性模量 134 GPa，電阻率為 0.022 5 Ωm/mm2.試樣在制備過程中，所采用的機械加工工藝參考國家標準GB/T 15248—2008.疲勞試樣標準尺寸如圖1所示.疲勞實驗在Instron 8801疲勞實驗機上完成.

圖1 低周疲勞試樣

疲勞實驗采用不同塑性應變幅0.5%、0.35%、0.2%、0.15%、0.1% 控制，樣品加載至斷裂或應力幅下降40%為止，測試不同應變幅下疲勞循環次數.循環加載頻率為1 Hz，應力比R=－1，正弦波.

2 計算結果與討論

2.1 循環應力—應變曲線

圖2為不同塑性應變幅0.35%、0.1%控制下的循環應力—應變曲線，由于應力和應變不同步，使拉、壓加載線與卸載線不重合而形成一封閉回線，這個封閉回線稱為滯后環.從圖2(a)中可以看出，在應變為0.35%時，循環次數為700時，滯后環的拉、壓加載線仍對稱，隨著循環周次的增加，開始出現微小的裂紋時，在滯后環上表現為出現拐角，循環到750周次時已有明顯的拐角，在循環到800周次后，滯后環變的細長而尖銳，說明裂紋已經擴展到一定尺寸.在不同的塑性應變幅控制下，滯后環的變化規律基本一致，隨著循環周次的增加，滯后環逐漸減小，應力逐漸降低，發生循環松弛現象.

圖2 銅鎂合金在不同塑性應變時的循環應力—應變曲線

2.2 疲勞壽命計算

根據應力—疲勞壽命關系式:

在雙對數坐標上，對lg(Δσ/)－lg(2Nf)數據點進行線性回歸，其斜率為疲勞強度指數b.2Nf=1對應的縱坐標截距就是疲勞強度系數σ'f，如圖3所示.

由于拉、壓過程中不同樣品的內部應力狀態及微觀缺陷不同，導致數據點比較分散，但總體看來應力－壽命關系仍滿足Manson-Coffin方程.經計算可得疲勞強度指數b=－0.067 5，疲勞強度系數σ'f=251 MPa.

圖3 應力—壽命雙對數關系

根據應變疲勞壽命關系式:

在雙對數坐標上，對lgεp－lg(2Nf)數據點進行線性回歸，見圖4.2Nf=1對應的橫坐標截距就是疲勞延性系數ε'f，其斜率為疲勞延性指數c.

圖4 應變—壽命雙對數關系

經過計算可得疲勞延性指數c=－0.585 2，疲勞延性系數 ε'f=0.216 9.

彈性應變和總應變表達式如下:

將式(3)和(4)代入 Manson-coffin 公式［13］中，得到:

將計算得到的參數 b，σ'f，c，ε'f值代入式(5)中，即得:

根據式(6)得應變—壽命曲線如圖5所示:

圖5 應變—壽命關系

2.3 討論

文獻［13］中已說明Manson-coffin公式適用于估算銅合金低周疲勞壽命，因此，通過計算Manson-coffin公式的系數，得出銅鎂合金接觸線的應變－壽命公式，并繪出其變化趨勢，從圖5中可以看出，在塑性應變為0.35%時，塑性應變起主要作用，疲勞壽命較短，在塑性應變為0.1%時，彈性應變起主要作用，其過渡壽命NT［14］在塑性應變值在0.1～0.15%之間.

高速電氣化鐵路用銅鎂合金接觸線為冷拔加工成型后的線材，位錯密度較高，應力較大.從圖2中可以看出，隨著循環次數增加，應力逐漸降低，塑性應變為0.35%時，應力降低速率明顯高于應變為0.1%時的應力降低速率，說明應變較大時，位錯密度降低較快.在實際應用中，隨著接觸線使用年數的增加，接觸線應力必然逐漸降低，因此，需考慮循環軟化現象，避免出現較大幅度的振動.通過研究應力隨循環周次的變化趨勢和應變－壽命公式可預測接觸線使用過程中的疲勞壽命，為預防接觸線發生突然斷裂事故提供參考數據.

3 結論

采用不同塑性應變幅控制，對冷拔銅鎂合金接觸線進行室溫低周疲勞試驗，結果表明:

(1)接觸線用銅鎂合金隨著循環周次增加，發生循環松弛.隨著應變降低，應力降低速率減緩.過渡壽命NT在應變0.1～0.15%之間;

(2)鎂銅合金的疲勞強度指數b=－0.0675，疲數勞強度系σ'f=251 MPa，疲勞延性指數c= － 0.585 2，疲勞延性系數 ε'f=0.216 9，具有較好的疲勞性能.

［1］周音.中國高鐵從無到有領跑世界［N］.中國新聞網，2010-10-16.

［2］黃崇祺.輪軌高速電氣化鐵路接觸網用接觸線的研究［J］.中國鐵道科學，2001，22(1):1-5.

［3］劉平，賈淑果.高速電氣化鐵路用銅合金接觸線的研究進展［J］.材料導報，2004，18(6):32-34.

［4］李華清，謝水生.軌道交通專用銅合金接觸線的研究進展［J］.特種鑄造及有色金屬，2005，25(12):729-731.

［5］萬毅，鄧斌.接觸線的疲勞可靠性［J］.西南交通大學學報，2006(4):214-217.

［6］CHIKARA Y，ATSUSHI S.Influence of Mean Stress on Contact Wire Fatigue［J］.QR of RTRI，2006，47(1):46-51.

［7］STARKE，EIFLER P D.Fatigue Assessment and Fatigue Life Calculation of Metals on the Basis of Mechanical Hysteresis，Temperature，and Resistance Data［J］.Materials Testing-Materials and Components Technology and Application，2009，51(5):261-268.

［8］SRIVATSAN T S，Al-HARJRI J M，TROXELL D.The tensile deformation，cyclic fatigue and final fracture behavior of dispersion strengthened copper［J］.Mechanics of Materials，2004，36(1-2):99-116.

［9］張迎暉，孫洪波.銅鋁復合接觸線用銀銅合金疲勞試驗［J］.特種鑄造及有色金屬，2009，29(12):1172-1174.

［10］VIZEAINO P，BANCHIK A D.Solubility of hydrogen in zircaloy-4:irradiation indueed increase and thermal recovery［J］.Jounral of nuclear material，2002(2):96-106.

［11］姚衛星.結構疲勞壽命分析［M］.北京:國防工業學出版社，2003(4):41-43.

［12］張忠明，服部修次.銅合金的疲勞壽命預測［J］.材料熱處理學報，2005，26(5):76-79.

［13］崔恒.相變塑性鋼的低周疲勞性能和裂紋擴展速率［J］.上海金屬，2009，31(1):6-9.

［14］謝濟州.低循環疲勞［M］.北京:能源出版社，1990:39-40.