工作溫度對TP2銅管組織與性能的影響規律研究①

魯海洋，于海然，崔志國，陳 曦，薛學棟，蔡圳陽，肖來榮

（1．中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島266111；2．中南大學 材料科學與工程學院，湖南 長沙410083；3．有色金屬材料科學與工程教育部重點實驗室，湖南 長沙410083）

磷脫氧銅由于其優良的導電性、導熱性、耐蝕性和加工性能，常被加工成導電銅管、熱交換管、冷凝管以及氣體和液體的運輸管道使用［1－3］。TP2銅（Cu含量不低于99．90%，P含量在0．015%～0．040%之間）是典型的磷脫氧銅［4－6］，是目前我國高速列車車頂高壓導電銅管選用牌號。由于高速列車車頂高壓銅導體需要常年在露天環境工作，工作溫度常在－30～100℃之間波動，掌握TP2銅管在該溫度段的組織與性能變化情況對于高速列車安全行駛至關重要。

目前國內外學者對TP2銅開展了廣泛研究，但主要集中在成分控制、加工工藝優化、組織性能分析以及失效行為研究等方面［7－14］，對于TP2銅管在中低工作溫度段的組織與性能研究較少。本文結合高速列車車頂TP2銅導體在南北方不同氣溫運行且由于承載了高電壓大電流、包裹了絕緣塑料外皮導致少量溫升的實際情況，重點探究了TP2銅管在－30～100℃典型工作溫度范圍內的組織與力學性能變化。

1 實驗材料及方法

實驗采用管徑Φ25 mm、壁厚3 mm的M態TP2銅管作為研究對象，使用型號為SPECTRO BLUE SOP的等離子光譜儀，通過電感耦合等離子體原子發射光譜（ICP-AES）法測得其化學成分，如表1所示。可見合金中P含量0．021%，雜質總含量小于0．1%，符合國標GB／T 5231—2012對TP2銅管化學成分的要求。

表1 TP2銅管化學成分（質量分數）／%

將TP2銅管試樣置于恒溫環境箱中，在－30℃、－20℃、－10℃、0℃、25℃、50℃、75℃和100℃下分別保溫12 h，利用200HVS－10型數顯小負荷維氏硬度計測定TP2銅材料的維氏硬度。為全面評估溫度對TP2銅管硬度的影響，分別在TP2銅管的外表面、內表面以及橫截面的外側、中部和內部（依次命名為A區、B區、C區、D區和E區）測試材料硬度，如圖1所示。為提高硬度測試數據的可信度，各個區域測試5次硬度后取其平均值。同時，對在不同溫度段保溫12 h的TP2銅管分別取樣進行金相分析，試樣經打磨和拋光處理后，腐蝕處理5 min（腐蝕劑為2．7 g Fe（NO3）3＋10 mL H2O＋10 mL C2H5OH），在LEICAMC120金相顯微鏡下觀察金相組織。

圖1 TP2銅管硬度測試區域示意

為研究在不同溫度服役時銅管的性能變化，按照GB／T 228—2010中第一部分金屬材料拉伸實驗方法，在TP2銅管上沿擠壓方向切割拉伸試樣，尺寸如圖2所示，利用配備恒溫箱的Instron1342型萬能試驗機進行拉伸試驗。將拉伸試樣的夾持段壓平，平行段保持管材原有的弧度，拉伸試驗溫度分別設置為－30℃、－20℃、－10℃、0℃、25℃、50℃、75℃和100℃，在試樣達到試驗溫度后繼續保溫15 min后開始拉伸試驗，拉伸速度為2 mm／min，每個溫度點進行3次拉伸試驗，并計算平均值及誤差。此后，采用Quanta－200型環境掃描電鏡對TP2銅材料斷口形貌進行分析。

圖2 TP2銅管拉伸試樣尺寸示意圖（單位：mm）

2 實驗結果與討論

TP2銅管在不同溫度下保溫12 h后的金相照片見圖3，相應的晶粒度見表2。從圖3可以看出，TP2在中溫和低溫下保溫12 h后，金相組織形貌并未產生特別明顯的變化，晶粒均呈不規則等軸狀，在晶粒內部可發現部分退火孿晶組織。在－30～0℃的低溫區域，TP2銅管金相組織未見明顯變化。從－30℃到0℃，晶粒度變化幅度很小；從25℃到100℃，晶粒度則出現較為明顯地下降且下降趨勢越來越快。溫度由－30℃升至100℃保溫12 h，TP2銅晶粒度降低幅度達10．39%，表明溫度升高促進了晶粒長大，尤其是溫度超過75℃以后，晶粒長大趨勢更明顯。

圖3 TP2銅管在不同溫度下保溫12 h后的金相照片

表2 在不同溫度下保溫12 h后的TP2銅管晶粒度

圖4為不同溫度保溫12 h后TP2銅管不同區域的硬度數據。由圖4可以發現，隨著保溫溫度上升，TP2銅硬度值呈不斷下降趨勢。綜合ABCDE不同區域的硬度數據，計算得到－30℃、－20℃、－10℃、0℃、25℃、50℃、75℃和100℃保溫12 h后銅管的平均硬度值分別為52．86HV、52．35HV、51．89HV、51．44HV、51．04HV、50．72HV、50．27HV和49．88HV，可以看出，在－30～100℃內保溫12 h，并不會對TP2銅管硬度產生顯著影響，銅管始終仍處于M態。從－30℃到100℃，TP2銅硬度值下降不到3HV，下降幅度為5．64%。

圖4 在不同溫度保溫12 h后TP2銅管不同區域的硬度

圖5為TP2銅管在不同溫度下的拉伸性能數據。從圖5（a）可以看出，在－30～100℃區間內，TP2銅管的抗拉強度總體上隨溫度上升而下降。TP2銅在－30℃保溫環境下的抗拉強度為263．25 MPa，而100℃時下降至217．09 MPa，下降幅度達17．53%。這可能是溫度的變化導致金屬內部位錯運動阻力變化［15－16］，溫度升高時，金屬內部的變形機制發生變化，位錯開動所需要的臨界應力降低，表現為金屬抗拉強度下降。從圖5（b）可以發現工作溫度降低會使TP2銅管延伸率出現一定程度下降，尤其是在－30～0℃低溫區域；由于TP2銅塑性較好，在－30～100℃溫度區間內TP2銅管延伸率始終保持在50%以上。

圖5 TP2銅管在不同溫度下的拉伸性能

圖6為TP2銅管在25℃下的拉伸斷口形貌。由圖6發現，TP2銅拉伸斷口區域存在大量韌窩，韌窩深度較大且大小較為均勻，表明TP2銅材韌性較好，斷裂方式為韌性斷裂。

圖6 TP2銅管在25℃下的拉伸斷口形貌

綜合分析TP2銅管在－30～100℃工作溫度區間的金相組織、硬度、抗拉強度和延伸率變化，發現TP2銅管在該溫度區域內均表現出良好的綜合性能，能夠滿足高速列車車頂環境的服役需求［17］。值得注意的是，當環境溫度長時間50℃以上時，TP2銅管抗拉強度下降幅度較大，因此應充分考慮高速列車的TP2銅管承力結構區域這一特性，在結構設計層面予以優化，并及時檢修相關部位。

3 結 論

1）在－30～100℃溫度區間內，隨著溫度升高，TP2銅管晶粒增大，晶粒度由8．95降至8．02，下降幅度為10．39%。

2）在－30～100℃溫度區間內，TP2銅管硬度整體呈現隨溫度升高逐漸降低的趨勢，硬度變化幅度為5．64%。

3）在－30～100℃溫度區間內，TP2銅的抗拉強度由263．25 MPa下降至217．09 MPa，下降幅度達17．53%。低溫段延伸率略有下降，但整個溫度區間內平均延伸率均保持在50%以上；TP2銅拉伸斷口存在大量韌窩，斷裂形式為韌性斷裂。