定位線夾斷裂的原因分析及解決方案

王海旭

摘 要：針對(duì)線路上出現(xiàn)個(gè)別定位線夾的斷裂現(xiàn)象，本文從宏觀樣貌分析、硬度測(cè)試、微觀組織檢測(cè)等方面綜合分析研究，得出定位線夾的斷裂原因，并提出解決方案。為線路的安全運(yùn)營排除后續(xù)風(fēng)險(xiǎn)，為定位線夾的持續(xù)改進(jìn)優(yōu)化提供有益參考。

關(guān)鍵詞：定位線夾;斷裂;分析;解決方案

中圖分類號(hào)：U225 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2020）01-0064-02

0 引言

定位線夾所處的安裝位置和所起的功能作用決定了該零件的安全系數(shù)要求高，不能出現(xiàn)斷裂等事故。而隨著電氣化鐵路的高速發(fā)展，定位線夾的使用數(shù)量在急劇增加，使用的環(huán)境也在不斷擴(kuò)大中。在實(shí)際的運(yùn)營中，曾發(fā)現(xiàn)有個(gè)別定位線夾斷裂。而引起斷裂的原因分析就顯得非常重要。只有找到真正的斷裂原因，才能排除潛在隱患，為線路的安全運(yùn)營排除后續(xù)風(fēng)險(xiǎn)，為定位線夾的持續(xù)改進(jìn)優(yōu)化提供有益參考。

本文從斷裂定位線夾的宏觀樣貌分析入手，采用硬度測(cè)試、微觀組織金相、電鏡掃描檢測(cè)等檢測(cè)手段，綜合研究，逐步分析出定位線夾的斷裂原因，并提出相應(yīng)的解決方案。

1 宏觀樣貌分析

1.1 樣件取樣位置說明

斷裂定位線夾與對(duì)比未使用正常定位線夾取樣位置如圖1所示，斷裂面直接進(jìn)行掃面電鏡斷口觀察;在緊固孔周圍取樣進(jìn)行維氏硬度測(cè)試;在斷裂線夾的中間部位以及對(duì)比線夾相同位置取縱截面進(jìn)行金相觀察。

1.2 宏觀樣貌分析

失效線夾斷口宏觀形貌如圖2所示，從圖中可見，斷面大部分區(qū)域發(fā)生氧化變色，甚至部分區(qū)域發(fā)生磨損，但是也存在較新鮮的斷面，如圖中圓圈所示位置，說明斷裂過程呈現(xiàn)先后斷裂的特點(diǎn)，即部分區(qū)域先發(fā)生斷裂，經(jīng)過一定時(shí)間后，裂紋不斷擴(kuò)展，最終載荷大于材料斷裂極限時(shí)，發(fā)生瞬間斷裂。另外從圖中箭頭所示位置可見，斷面呈現(xiàn)從一點(diǎn)向某一方向發(fā)散的特征，說明裂紋的產(chǎn)生從發(fā)散的起點(diǎn)開始，即箭頭所示位置。發(fā)生這種斷裂的斷裂形式可能為應(yīng)力腐蝕斷裂或疲勞斷裂。

2 硬度測(cè)試

對(duì)樣件按照GB/T 4342-1991標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行維氏硬度測(cè)試，其結(jié)果如表1所示。測(cè)試結(jié)果可見，斷裂線夾的硬度為HV194.6（相當(dāng)于HB185）與未斷裂線夾的硬度HV195.1（相當(dāng)于HB185）相當(dāng)，較斷裂線夾中未斷裂一端硬度232.3（相當(dāng)于HB219）低，對(duì)于同一套線夾的兩部分，由于形狀不同，制造過程中鍛造工藝的差異，導(dǎo)致硬度差異，屬正常現(xiàn)象，硬度的絕對(duì)值大小不具可比性，只說明硬度較高的零件比較低的零件可承受更大載荷。對(duì)于形狀相同的零件，形同位置硬度相同，說明斷裂零件與未斷裂零件強(qiáng)度相當(dāng)，暫可排除由于強(qiáng)度不足導(dǎo)致斷裂。

3 微觀組織金相、電鏡掃描檢測(cè)

3.1 微觀組織金相

斷裂定位線夾和未斷裂定位線夾相同位置金相顯微組織如圖3（斷裂線夾）和圖4（未斷裂線夾）所示。從圖3可見，斷裂線夾在斷裂位置整個(gè)截面的晶粒大小較均勻，其平均晶粒大小為20～30μm。未斷裂的線夾相同位置晶粒大小也較均勻，平均晶粒尺寸也為20～30μm，說明兩個(gè)線夾晶粒大小相當(dāng)，與硬度測(cè)試結(jié)果一致。

3.2 電鏡掃描

對(duì)斷口進(jìn)行進(jìn)一步掃描電鏡觀察如圖5所示。從圖中可以看出，斷面呈現(xiàn)冰糖狀斷面特征，部分區(qū)域存在微裂紋，如圖5（c）中箭頭位置所示，可能為二次裂紋，并且在斷口的部分區(qū)域表面夾雜物，如圖5（d）中所示。這些夾雜物的來源可能為氧化所所致，也可能為外界灰層落入。

4 斷裂原因綜合分析

從硬度和金相顯微組織來看，失效線夾與正常線夾的硬度和金相顯微組織均相當(dāng)，說明其強(qiáng)度相當(dāng)，發(fā)生過載斷裂的可能性較小。從斷口的宏觀形貌看，斷口出現(xiàn)先后斷裂的特征，且從一點(diǎn)開始斷裂，逐漸向其它方向發(fā)展，起始斷裂點(diǎn)可以斷定為應(yīng)力集中點(diǎn)。由應(yīng)力集中點(diǎn)向某一方向擴(kuò)展斷裂，這種斷裂特征的斷裂方式可能為疲勞斷裂或應(yīng)力腐蝕斷裂。

根據(jù)該零件的裝配情況和使用條件分析，該零件為非主承力件，使用時(shí)線路上產(chǎn)生的振動(dòng)疲勞也非本零件主要承受，因此直接由疲勞而導(dǎo)致的斷裂可能性較小。因?yàn)樗休d情況不足以優(yōu)先形成疲勞裂紋，但是如果該零件在其它因素作用下形成裂紋源后，線路的振動(dòng)，尤其是振動(dòng)引起的零件共振則對(duì)裂紋的擴(kuò)展可起到促進(jìn)作用。

如果使用環(huán)境濕度較大，尤其還存在氯離子的情況，或者使用環(huán)境中的氨氣或SO2偏高的情況下，均可能因此零件的應(yīng)力腐蝕。據(jù)了解，該失效零件使用于廈深線，那么：（1）該線路環(huán)境濕度較內(nèi)地高，潮濕環(huán)境中所攜帶的氯離子濃度也較內(nèi)地高。（2）根據(jù)鐵路沿線的特點(diǎn)，其空氣中的氨氣含量極有可能較其它區(qū)域偏高。對(duì)于衛(wèi)生間采用直通式的老式列車，排泄物直通車下軌道，必然引起鐵軌沿線環(huán)境中氨氣含量偏高，即使高鐵、動(dòng)車等新式列車采用真空集便器，也難免導(dǎo)致鐵軌沿線環(huán)境中氨氣含量偏高，而銅合金對(duì)氨氣又較為敏感，及時(shí)環(huán)境中存在極少氨氣（人類嗅覺無法感受）時(shí)，都會(huì)引起銅合金的氨脆。（3）大氣環(huán)境中存在的SO2氣體，可能會(huì)促進(jìn)應(yīng)力腐蝕裂紋的擴(kuò)展。應(yīng)力腐蝕斷裂的斷口特征一般為冰糖狀沿晶脆性斷裂，這與圖5中的斷口特征一致，且圖5中的二次裂紋則反應(yīng)了沿晶斷裂的特征，因此該零件由應(yīng)力腐蝕導(dǎo)致的斷裂可能性較大。

常規(guī)情況，同一批材料處于相同的使用環(huán)境，發(fā)生破壞的情況應(yīng)一致，但是同一批次樣品只發(fā)生一件開裂，那么就涉及發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的另一條件“應(yīng)力”。從斷口的宏觀形貌看，存在應(yīng)力集中點(diǎn)，而應(yīng)力集中位置往往為應(yīng)力腐蝕的裂紋萌生處。裂紋萌生期長短不一，少則幾天，多則幾年，幾十年都有可能，主要和環(huán)境特征和應(yīng)力大小有關(guān)。這也就不難理解為何同一批次線夾裝在同一條線路上，所處的環(huán)境相同，但只有該線夾發(fā)生斷裂，如果該線夾在安裝時(shí)，緊固力矩大于其它線夾，應(yīng)力集中點(diǎn)的應(yīng)力則會(huì)增大，從而縮短該線夾裂紋萌生的時(shí)間。

裂紋萌生后，隨即會(huì)發(fā)生裂紋擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展到一定程度后就不再擴(kuò)展，也就表現(xiàn)出宏觀斷口中的新舊斷面特征，舊斷面是由于裂紋擴(kuò)展所致，停止擴(kuò)展后發(fā)生長時(shí)間氧化。裂紋擴(kuò)展的過程與環(huán)境的關(guān)系則更加緊密，（1）環(huán)境中存在的氯離子，會(huì)不斷促進(jìn)新裂紋的形成，促進(jìn)裂紋擴(kuò)展;（2）由SO2氣體導(dǎo)致的硫酸離子同樣會(huì)促進(jìn)裂紋擴(kuò)展;（3）斷面上積累的灰層以及氧化物，均會(huì)導(dǎo)致裂紋無法閉合，形成微杠桿作用，促進(jìn)裂紋擴(kuò)展;（4）線路振動(dòng)以及線夾的振動(dòng)疲勞也會(huì)促進(jìn)裂紋擴(kuò)展。

以上因素均可能引起裂紋的擴(kuò)展，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定程度，未斷裂的承載面不足以承受載荷，則會(huì)發(fā)生瞬間斷裂，形成斷口中新鮮斷面的特征。

綜合以上分析，該線夾發(fā)生斷裂的原因?yàn)椋海?）安裝時(shí)緊固力矩偏大，導(dǎo)致線夾局部應(yīng)力集中，在使用環(huán)境中的腐蝕介質(zhì)作用下，促進(jìn)了裂紋源的形成，其中氨氣氛（極微量）引起的氨脆，可能也是裂紋源形成的重要原因之一。（2）裂紋形成后，特殊的環(huán)境氣氛導(dǎo)致裂紋的擴(kuò)展，另外振動(dòng)疲勞也會(huì)加劇應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展。雖然在特定的使用環(huán)境中應(yīng)力腐蝕不可避免，但由于裂紋萌生期可能長達(dá)幾十年，因此只要限制裂紋萌生，則可有效避免應(yīng)力腐蝕開裂。而裂紋萌生因素中的應(yīng)力相比于腐蝕介質(zhì)更容易控制。

5 解決方案

（1）根據(jù)定位線夾的斷裂情況，建議在施工現(xiàn)場(chǎng)安裝定位線夾時(shí)，操作人員應(yīng)采用數(shù)控扭矩扳手，嚴(yán)格控制緊固力矩在技術(shù)要求范圍內(nèi)。且緊固螺母時(shí)，兩只螺母應(yīng)交替旋緊，每只螺母至少旋緊2～3次。盡量避免或減小應(yīng)力集中。

（2）根據(jù)定位線夾的受力情況，應(yīng)繼續(xù)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增加薄弱處的強(qiáng)度，減少盈余處的厚度，做到產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)合理、受力均勻。

（3）根據(jù)定位線夾的使用環(huán)境，定位線夾采用銅合金材質(zhì)雖本身具備優(yōu)良的防腐性能，但僅適合在內(nèi)陸、干燥的環(huán)境使用。在沿海、工業(yè)污染區(qū)域，則應(yīng)進(jìn)行特殊的表面防腐處理。避免出現(xiàn)腐蝕，從而降低產(chǎn)品機(jī)械性能，在長期服役過程中出現(xiàn)斷裂。