動車組客室座椅椅腿開裂試驗研究

賈 旭 戰 雪 周鑫弘

(中車長春軌道客車股份有限公司設備研發部，130062，長春//第一作者，高級工程師)

動車組客室座椅是乘客乘坐安全性和舒適性最為直接相關的設備。座椅通過椅腿與地板連接，椅腿的開裂影響著乘客的安全性。現車檢修中發現客室座椅腿腐蝕現象較為嚴重，數量較多，部分有開裂現象，其問題主要集中在材質為鋁合金底架的座椅椅腿上。本文對于此問題展開研究，從椅腿斷裂普查、斷口形式、強度驗證、腐蝕介質等幾方面對椅腿開裂進行分析，并根據分析結果提出優化解決方案。

1 座椅椅腿斷裂普查

對線路上出現典型斷裂問題的6組車輛進行普查。6組車輛座椅均投入運行5年左右，部分座椅椅腿出現斷裂現象，與原設計使用壽命20年嚴重不相符。其中,3人座椅中間腿開裂占所有開裂椅腿比例達到了86.84%，這可能與未安裝保護罩殼關系較大。除開裂外現象，未開裂椅腿部分也有不同程度的掉漆和腐蝕現象。斷裂椅腿如圖1所示，普查結果如表1所示。

a) 實景圖1b) 實景圖2c) 實景圖3

圖1 斷裂椅腿圖片

座椅腿材質采用A7003S-T5高強度鋁合金型材焊接而成，表面未進行氧化處理，但有噴漆。斷裂椅腿如圖1所示，斷裂位置位于角焊縫上方，斷口呈鋸齒狀。

2 椅腿斷口斷裂性質分析

2.1 化學成分和力學性能檢查

按GB/T 3190—2008《變形鋁及鋁合金化學成分》要求檢查椅腿材料化學成分的符合性。化學元素檢查結果如表2所示。

表2 椅腿材料化學成分檢查結果

按GB/T 6892—2006《一般工業用鋁及鋁合金擠壓型材》要求檢查椅腿材料力學性能。材料力學性能檢查結果如表3所示。檢查結果顯示，在化學成分和力學性能上均滿足標準要求。

表3 椅腿材料力學性能檢查結果

2.2 宏觀檢驗

對焊接件的外觀進行檢驗，焊接件斷口的宏觀形貌如圖2所示，斷口斷面如圖3所示。由圖2可明顯觀察到啟裂源、擴展區和瞬斷區，啟裂源在圓弧右側直角處，斷口沒有出現明顯的塑性變形，脆斷特征明顯。也就是說從椅腿的內側啟裂源開始啟裂，逐漸向兩側擴散，擴散伴隨著椅腿強度降低，當載荷大于椅腿承載極限時產生瞬斷。裂紋擴展如圖4所示。

2.3 掃描電鏡觀察及能譜分析

采用捷克Tescan VEGA TS 5136XM掃描電子顯微鏡觀察椅腿直角部分的斷口，如圖5所示。

由圖6—圖9可以看出，在主裂紋的啟裂源和擴展區腐蝕產物主要為鋁的氧化物和一些富Cl、S、Ca、Na、Mg元素的鹽類。斷口裂紋為沿晶裂紋，斷口高低起伏，擴展區有大量的沿晶二次裂紋，呈現明顯的脆性特征，在主裂紋的啟裂源和擴展區裂紋表面有大量的腐蝕產物。

圖2 椅腿斷口的宏觀形貌

圖3 椅腿斷口斷面形貌

圖4 椅腿裂紋擴展方向

圖5 椅腿直角部分斷口斷面微觀形貌

圖6 斷口主裂紋啟裂源(放大500倍)

圖7 啟裂源腐蝕產物的能譜

圖8 主裂紋擴展區(放大1 000倍)

圖9 擴展區腐蝕產物的能譜

對二次裂紋的觀察分析如圖10—圖13所示。由圖可以看出，二次裂紋起始位置也存在大量的腐蝕在外，擴展以沿晶的方式進行，裂紋存在明顯的分叉特征。

圖10 二次擴展裂紋1起始區(放大100倍)

圖11 二次擴展裂紋1擴展區(放大500倍)

圖12 二次擴展裂紋2起始區(放大100倍)

圖13 二次擴展裂紋2擴展區尖端(放大100倍)

3 座椅強度測試

對未腐蝕座椅進行靜強度、座椅靠背疲勞、座椅旋轉疲勞、沖擊振動等試驗，分析斷裂是否由于座椅設計強度不足導致。座椅測試試驗臺如圖14所示。

a) 實景圖1

b) 實景圖2

3.1 靜強度測試

依照TB/T 3263—2011標準，在座椅靠背上部加載壓力1 000 N，椅腿未開裂，椅腿最大應力為257.8 MPa，小于鋁合金A7003S-T5的許用強度(275 MPa)。

3.2 耐久測試

依照TB/T 3263—2011標準，在座椅靠背加載壓力(標準要求單靠背)，加載位置在兩個靠背中心并與靠背上端平齊(標準要求靠背中部)，加載壓力為1 000 N(標準要求245 N)。經過14萬次的循環疲勞試驗后，4個椅腿的焊接焊縫均有開裂現象，而焊接熱影響區域型材確沒有出現開裂現象。

3.3 旋轉強度測試

采用人工模擬座椅旋轉狀態，對座椅進行人工±180°旋轉測試。經過7萬次的人工旋轉疲勞試驗后，椅腿型材沒有出現開裂現象。這說明座椅椅腿可以滿足座椅旋轉疲勞要求。

3.4 壽命振動測試

依據IEC 61373標準進行振動測試。試驗模擬乘客載荷，在座椅靠背上部和坐墊上施加70 kg沙袋，經過橫向和縱向兩次沖擊振動試驗后，椅腿區域并沒有出出現開裂現象。

上述試驗結果表明，椅腿滿足設計強度，開裂非強度不足原因導致。

4 椅腿腐蝕過程試驗模擬

經實際調查發現，動車組的車內清潔過程中一直使用清潔劑，而清潔劑具有一定的酸堿腐蝕性。對各站點實際使用的清潔劑進行收集，個別清洗劑含較強的酸性或堿性。取兩種清洗劑A和B，其中A型清洗劑為酸性，B型清洗劑為堿性。

對兩種溶液進行成分分析，A型清洗劑中含有對鋁材起到緩蝕作用的成分三乙醇胺硼酸酯和尿素、B型清洗劑中含有對鋁材起到緩蝕作用的成分有三乙醇胺硼酸酯和苯并三氮唑。

按標準GB/T 6892—2006《一般工業用鋁和鋁合金擠壓型材》進行鋁合金型材抗應力腐蝕性能試驗，驗證型材在腐蝕溶液中是否發生應力腐蝕以及腐蝕時長。

4.1 配置試驗用浸泡溶液

配制與現車清洗劑相同的溶液，溶液配制如表4所示。

表4 清洗劑溶液配制表

4.2 制作浸泡樣件

在椅腿型材上割取3段樣件，并去除內部加強筋和油漆涂層，參照標準選用螺栓固定，浸泡樣件如圖15所示。

4.3 浸泡試驗

分別在3個塑料盒倒入浸泡溶液，試驗樣件置于溶液中，如圖16所示。5天后經A溶液浸泡過的產品出現裂紋(見圖17 a))，10天后經B溶液浸泡過的產品出現裂紋(見圖17 b))。經A溶液浸泡的樣件裂紋要明顯大于經B溶液浸泡產品，這與表1中前3組車椅腿開裂數量低于后4組車較符合。按中性氯化鈉溶液浸泡的產品未出現裂紋。具體見表5所示。

圖15 椅腿浸泡樣件

圖16 椅腿浸泡試驗場景

酸性或堿性清潔劑都具有腐蝕性，椅腿在溶液中很快就會發生腐蝕。車輛清洗的過程中如果沒有對清洗劑稀釋到規定濃度會使加劇腐蝕。但即使稀釋到規定的濃度，如果不能及時清除掉，在表面不平整的地方會有清洗劑堆積，隨著清洗劑中水逐漸蒸發，酸、堿濃度加大，也會增加腐蝕的可能性。清洗劑的酸堿性不可避免，所以關鍵還是要提升椅腿自身的防腐性能。

a) A溶液浸泡

b) B溶液浸泡

腐蝕液種類開始時間完成時間結果A清洗劑9月11日9月21日開裂B清洗劑9月11日9月21日開裂氯化鈉溶液9月11日9月21日未開裂

5 分析討論

一般產生應力腐蝕裂紋必須具備3個條件：存在拉應力；材料對應力腐蝕有高的敏感性；特定的腐蝕環境。椅腿經斷口斷裂性質分析、強度分析和腐蝕過程模擬，可以判定以上3個條件都具備，且裂紋各種特征完全符合，故可斷定椅腿裂紋為應力腐蝕裂紋。

鋁合金應力裂紋的產生機理主要存在兩種解釋:一是陽極溶解理論;二是陰極氫脆開裂機理。陽極溶解理論認為，在腐蝕介質中，合金表面會形成一層保護膜，而在拉應力或活性離子(Cl-)作用下，會發生膜的破壞，致使合金表面裸露，裸露的基體金屬與合金其他表面構成小陽極和大陰極的腐蝕電池，故合金新鮮表面就發生了陽極溶解，由于陽極面積比陰極的小得多，陽極的電流密度很大，進一步腐蝕已破壞的表面。氫脆理論則認為，腐蝕過程中產生的自由原子氫通過應力誘導擴散和位錯遷移，使得氫向裂紋前端的高應力區富集，經過足夠長的時間后，氫濃度達到一個臨界值，便可促使氫脆的發生，并且鋁合金中聚集分布的不溶項類同于三軸應力缺陷，首先捕捉了反應生成的氫原子，并在拉應力的作用下沿晶界優先偏聚，引起沿晶開裂。氫在裂紋附近的濃度高于基體濃度，在裂紋尖端氫除了濃度較高外，其擴散系數也最大，比距離裂紋較遠外基體中的高兩個數量級。

6 優化措施

對于應力腐蝕，從座椅自身出發，給出如下建議:

(1) 增強底架的防腐保護，將3人座椅中間椅腿包裹在椅腿罩殼中(見圖18)，既可防止磕碰掉漆，又可減少與清洗劑接觸。

圖18 椅腿罩殼

(2) 提高表面平整性，減少能夠存留液體的孔洞和溝槽，使清洗劑不容易在椅腿存留。

(3) 控制應力腐蝕，關鍵在于防止腐蝕，將原座椅椅腿表面涂層噴漆改成噴塑，增加防腐性能。

按GB/T 10125—2012《人造氣氛腐蝕試驗 鹽霧試驗》要求對噴漆和噴塑兩種表面處理的椅腿樣件進行防腐試驗(見圖19)。試驗結果如表6所示。

a) 噴塑處理

b) 噴漆處理

表面處理溫度/℃沉降量/(mL/(80 cm2·h))鹽溶液體積分數/%pH值試驗時間/h結論噴塑351～256.5～7.2720無明顯腐蝕油漆351～256.5～7.2260鼓包、開裂

噴塑的椅腿防腐性能要明顯高于噴漆。按標準規定，24 h的鹽霧試驗相當于自然條件下使用一年，噴塑720 h代表能夠滿足自然使用30年，滿足設計壽命。

(4) 底架為鋁合金焊接結構件，焊接過程中容易產生預應力，故應做好自然時效流程，去除預應力。

7 結論

(1) 座椅腿開裂是典型的高強度鋁合金應力腐蝕開裂。椅腿在腐蝕狀態下承受負載能力降低,在長期處于應力腐蝕工況下，易引發開裂。

(2) 清洗劑中含有對鋁合金起緩蝕的成分，能夠造成鋁合金腐蝕。

(3) 油漆表面的防腐性能過低，不能滿足設計壽命要求，如將噴漆改為噴塑處理，能夠有效提高表面防腐能力。