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(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)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(huì)在北京召開.中國已成為世界上高速鐵路發(fā)展最快、系統(tǒng)技術(shù)最全、集成能力最強(qiáng)、運(yùn)營里程最長、運(yùn)營速度最高、在建規(guī)模最大的國家，高鐵營業(yè)里程達(dá)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(wǎng)中關(guān)鍵構(gòu)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(jìn)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(fā)生時(shí)，往往導(dǎo)致災(zāi)難性的設(shè)備事故和人身事故，所以斷裂破壞更被重視.接觸線在循環(huán)變化的載荷或隨機(jī)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(fēng)、雨等自然環(huán)境作用下，接觸線很容易產(chǎn)生振動(dòng)，振幅越大，導(dǎo)線越易疲勞［5-6］.Starke.P［7］以金屬的機(jī)械遲滯、溫度和電阻值為基礎(chǔ)，研究了疲勞評(píng)估和疲勞壽命計(jì)算，得出S-N曲線的快速精確的計(jì)算方法.Srivatsan.T.S.［8］等研究了彌散強(qiáng)化銅在拉壓循環(huán)疲勞下的疲勞失效行為，得出疲勞壽命的變化規(guī)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(shí)際使用壽命和設(shè)計(jì)提供積極的參考價(jià)值.

1 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)用的材料為從實(shí)際接觸線中截取的含鎂0.44%的銅鎂合金，抗拉強(qiáng)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(jī)械加工工藝參考國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15248—2008.疲勞試樣標(biāo)準(zhǔn)尺寸如圖1所示.疲勞實(shí)驗(yàn)在Instron 8801疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)上完成.

圖1 低周疲勞試樣

疲勞實(shí)驗(yàn)采用不同塑性應(yīng)變幅0.5%、0.35%、0.2%、0.15%、0.1% 控制，樣品加載至斷裂或應(yīng)力幅下降40%為止，測(cè)試不同應(yīng)變幅下疲勞循環(huán)次數(shù).循環(huán)加載頻率為1 Hz，應(yīng)力比R=－1，正弦波.

2 計(jì)算結(jié)果與討論

2.1 循環(huán)應(yīng)力—應(yīng)變曲線

圖2為不同塑性應(yīng)變幅0.35%、0.1%控制下的循環(huán)應(yīng)力—應(yīng)變曲線，由于應(yīng)力和應(yīng)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(gè)封閉回線稱為滯后環(huán).從圖2(a)中可以看出，在應(yīng)變?yōu)?.35%時(shí)，循環(huán)次數(shù)為700時(shí)，滯后環(huán)的拉、壓加載線仍對(duì)稱，隨著循環(huán)周次的增加，開始出現(xiàn)微小的裂紋時(shí)，在滯后環(huán)上表現(xiàn)為出現(xiàn)拐角，循環(huán)到750周次時(shí)已有明顯的拐角，在循環(huán)到800周次后，滯后環(huán)變的細(xì)長而尖銳，說明裂紋已經(jīng)擴(kuò)展到一定尺寸.在不同的塑性應(yīng)變幅控制下，滯后環(huán)的變化規(guī)律基本一致，隨著循環(huán)周次的增加，滯后環(huán)逐漸減小，應(yīng)力逐漸降低，發(fā)生循環(huán)松弛現(xiàn)象.

圖2 銅鎂合金在不同塑性應(yīng)變時(shí)的循環(huán)應(yīng)力—應(yīng)變曲線

2.2 疲勞壽命計(jì)算

根據(jù)應(yīng)力—疲勞壽命關(guān)系式:

在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上，對(duì)lg(Δσ/)－lg(2Nf)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行線性回歸，其斜率為疲勞強(qiáng)度指數(shù)b.2Nf=1對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)截距就是疲勞強(qiáng)度系數(shù)σ'f，如圖3所示.

由于拉、壓過程中不同樣品的內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)及微觀缺陷不同，導(dǎo)致數(shù)據(jù)點(diǎn)比較分散，但總體看來應(yīng)力－壽命關(guān)系仍滿足Manson-Coffin方程.經(jīng)計(jì)算可得疲勞強(qiáng)度指數(shù)b=－0.067 5，疲勞強(qiáng)度系數(shù)σ'f=251 MPa.

圖3 應(yīng)力—壽命雙對(duì)數(shù)關(guān)系

根據(jù)應(yīng)變疲勞壽命關(guān)系式:

在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上，對(duì)lgεp－lg(2Nf)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行線性回歸，見圖4.2Nf=1對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)截距就是疲勞延性系數(shù)ε'f，其斜率為疲勞延性指數(shù)c.

圖4 應(yīng)變—壽命雙對(duì)數(shù)關(guān)系

經(jīng)過計(jì)算可得疲勞延性指數(shù)c=－0.585 2，疲勞延性系數(shù) ε'f=0.216 9.

彈性應(yīng)變和總應(yīng)變表達(dá)式如下:

將式(3)和(4)代入 Manson-coffin 公式［13］中，得到:

將計(jì)算得到的參數(shù) b，σ'f，c，ε'f值代入式(5)中，即得:

根據(jù)式(6)得應(yīng)變—壽命曲線如圖5所示:

圖5 應(yīng)變—壽命關(guān)系

2.3 討論

文獻(xiàn)［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(jì)算Manson-coffin公式的系數(shù)，得出銅鎂合金接觸線的應(yīng)變－壽命公式，并繪出其變化趨勢(shì)，從圖5中可以看出，在塑性應(yīng)變?yōu)?.35%時(shí)，塑性應(yīng)變起主要作用，疲勞壽命較短，在塑性應(yīng)變?yōu)?.1%時(shí)，彈性應(yīng)變起主要作用，其過渡壽命NT［14］在塑性應(yīng)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(cuò)密度較高，應(yīng)力較大.從圖2中可以看出，隨著循環(huán)次數(shù)增加，應(yīng)力逐漸降低，塑性應(yīng)變?yōu)?.35%時(shí)，應(yīng)力降低速率明顯高于應(yīng)變?yōu)?.1%時(shí)的應(yīng)力降低速率，說明應(yīng)變較大時(shí)，位錯(cuò)密度降低較快.在實(shí)際應(yīng)用中，隨著接觸線使用年數(shù)的增加，接觸線應(yīng)力必然逐漸降低，因此，需考慮循環(huán)軟化現(xiàn)象，避免出現(xiàn)較大幅度的振動(dòng).通過研究應(yīng)力隨循環(huán)周次的變化趨勢(shì)和應(yīng)變－壽命公式可預(yù)測(cè)接觸線使用過程中的疲勞壽命，為預(yù)防接觸線發(fā)生突然斷裂事故提供參考數(shù)據(jù).

3 結(jié)論

采用不同塑性應(yīng)變幅控制，對(duì)冷拔銅鎂合金接觸線進(jìn)行室溫低周疲勞試驗(yàn)，結(jié)果表明:

(1)接觸線用銅鎂合金隨著循環(huán)周次增加，發(fā)生循環(huán)松弛.隨著應(yīng)變降低，應(yīng)力降低速率減緩.過渡壽命NT在應(yīng)變0.1～0.15%之間;

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

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