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铜铝复合接触线用银铜合金疲劳试验张迎晖 孙洪波 肖 翔 熊仕显 杨 斌(江西理工大学材料与化学工程学院)摘 要 通过采用不同应变幅控制,对不同变形量冷拉银铜合金进行室温低周疲劳试验。结果表明,随着应变幅的增大,滞后环面积也随之增大;随着循环周次的增加,循环应力逐渐降低,从而产生疲劳软化;加工率为38%的银铜合金循环周期大于加工率为19%的银铜合金循环周期;试样断裂后存在三个明显疲劳特征区:裂纹源、裂纹扩展区、瞬断区;银铜合金的裂纹扩展具有穿晶和沿晶两种方式。关键词 银铜合金;滞后回线;疲劳裂纹;接触线中图分类号 TF125.2 文献标志码 A 文章编号 1001-2249(2009)12-1172-03DOI:10.3870/tzzz.2009.12.030收稿日期:2009210225基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2006AA03Z531);江西省科技支撑计划项目(2007BG13000)第一作者简介:张迎晖,女,1968年出生,教授,江西理工大学材料与化学工程学院,江西赣州(341000).电话:[phone],E-mail:zyh0727 通讯作者:杨斌,男,1965年出生,教授,江西理工大学材料与化学工程学院,江西赣州(341000),电话:[phone],E-mail:yangbin65 电气化铁路的高速化已经成为国家发展水平和铁路现代化的主要标志之一,接触线是铁路接触网中最重要的组成部分。电力机车功率的提高以及车速的加快,对接触线的性能提出了更高的要求。在受电弓抬升力的作用下,接触线很容易产生振动,振动的频率越高、振幅越大,导线越易疲劳,寿命也就越短,因此,就要求接触线有高的疲劳强度14。本课题研究了铜铝复合接触线5用银铜合金的疲劳性能,对其使用寿命和设计具有极积的参考意义。1 试验方法试验材料为Cu20.1 Ag合金,屈服强度为270MPa,弹性模量为115 GPa。疲劳试样按国家标准GB3075282制作。标距尺寸为:6 mm18 mm。对变形量分别为38%、19%的Cu20.1Ag合金试样采用0.35%、0.40%、0.45%、0.50%、0.55%、0.60%应变幅进行疲劳试验,加载至试样断裂或应力幅下降80%为止,测试在不同应变幅下疲劳循环次数;在扫描电镜上观察疲劳试样断口形貌,在光学显微镜上对断口纵剖面裂纹形成部位和扩展方式进行观察分析。2 疲劳试验结果与分析2.1 循环应力2应变曲线(滞后回线)图1为变形量38%的Cu20.1Ag合金在0.35%、0.40%、0.50%、0.55%应变幅下的循环应力2应变曲线。由于应力和应变不同步,使加载线与卸载线不重合而形成一封闭回线,这个封闭回线称为滞后回线。滞后回线的存在说明加载时材料吸收的变形功大于卸载时材料释放的变形功,有一部分加载功被材料所吸收。被材料吸收的功也称为材料的内耗,其大小为回线的面积6,7。在给定的应变幅的条件下,滞后回线则给出每次循环大约需要消耗的能量8,9。滞后回环的形状取决于应变幅。从图1中可知,在低应变幅下,滞后回线细长而尖锐;随着应变幅的增加,滞后回线变宽,张开的幅度增大,即滞后环面积也随之增大,材料的内耗增加。(a)=0.35%(b)=0.40%(c)=0.50%(d)=0.55%图1 变形量为38%的Cu20.1Ag合金滞后回线2.2 循环应力响应曲线图2为变形量为38%的Cu20.1Ag合金在0.45%、0.50%应变幅下的循环应力响应曲线。由图2对比分析可知,合金随循环周次的增加应力逐渐降低,这是由于冷加工后的合金充满了位错缠结和障碍,在循环加载2711重有色合金特种铸造及有色合金 2009年第29卷第12期中逐渐被破坏,从而产生软化。每个试样随试验的进行都出现循环软化,每个试样的压应力、拉应力在整个试验中都基本呈同期对称变化。在试验的后期压应力和拉应力变化幅度都很大,这是因为此时试样中产生了裂纹,裂纹的扩展不需要很大的应力,应力值均减小。(a)=0.45%(b)=0.50%图2 变形量为38%的合金应变的循环应力响应曲线3Cu20.1Ag合金低周疲劳断口特征3.1 疲劳裂纹源图3为变形量为38%、应变幅为0.45%的Cu20.1Ag合金疲劳断口试样的扫描电镜照片。从图3a中可以看到疲劳断裂后的3个明显特征区:疲劳核心区、疲劳裂纹扩展区、瞬断区。疲劳核心(或称疲劳源)是疲劳裂纹萌生的发源地,是疲劳裂纹最初形成的地方,多出现在机件表面应力集中的位置,常和缺口、刀痕、蚀坑等缺陷相连,但若材料内部存在严重的冶金缺陷(夹杂、缩孔、偏析、白点等),也会因局部材料强度降低而在机件内部引发出疲劳源1012。核心区一般极其微小,疲劳核心数目有时不(a)断口宏观形貌(b)疲劳辉纹(c)二次台阶(d)二次裂纹图3 变形量为38%、应变幅为0.45%的Cu20.1Ag合金疲劳断口止一个,尤其低周疲劳,其应变幅值较大,断口上常有几个位置不同的疲劳核心。疲劳源区裂纹表面受反复挤压摩擦次数多,疲劳源区比较光亮,而且因加工硬化,该区表面硬度会有所提高。从图3a可以看到存在放射性条纹,沿着放射花样的逆向,可以追溯到疲劳区并确定裂纹源的位置,同时内部的缺陷也是一个重要的裂纹源。疲劳裂纹的萌生是局部切应力作用的结果。在最大切应力的作用下,材料表层的位错移动便会形成细小的滑移带。疲劳应力越大,滑移带的数量越多,其高度也越大,在反复载荷的作用下,在相邻的滑移面上将引起反向滑移,疲劳滑移带就会在表面上形成沟槽和隆脊,最终将成为萌生疲劳裂纹的区域。因位错运动而造成的滑移带,是产生疲劳裂纹最根本的原因,表面缺陷或内部缺陷起着尖缺口的作用,使应力集中,促进疲劳裂纹的形成。3.2 疲劳裂纹扩展区疲劳裂纹扩展区是疲劳断口上最重要的特征区域,而在裂纹扩展区中最典型的特征是疲劳辉纹,见图3b。疲劳纹常呈贝纹状、蛤壳状或海滩波纹状。图3b中这种贝纹状的推进线相当于载荷的一次循环,每条疲劳纹表示该循环下裂纹前端的位置,疲劳纹在数量上与循环次数相等,它是疲劳裂纹扩展过程中所留下的痕迹,疲劳辉纹是一系列基本上相互平行的条纹,略带弯曲呈波浪形。疲劳辉纹从疲劳源向外扩展,凸向裂纹扩展方向,其外法线方向就是裂纹扩展方向,内法线方向指向裂纹源。应变幅为0.45%的疲劳辉纹的间距约为2m。在疲劳裂纹扩展区,除贝纹线,有时也可以看到二次台阶和线痕。而在疲劳裂纹扩展的后期,由于试样的有效截面不断减少,有效应力不断增加,裂纹扩展速度提高,出现疲劳加速发展区。该区域的断口平面往往不与疲劳应力轴呈90 交角,断口比较粗糙而不规则,并常伴有因材料撕裂而造成的台阶、小丘,见图3c。第二疲劳区疲劳裂纹的扩展速度较快,它同时包含着静载和疲劳2种破坏方式。在疲劳辉纹中还发现了二次裂纹,见图3d箭头所指。二次裂纹是由断口表面向内部扩展的裂纹,往往与疲劳辉纹保持平行,在断口上断续分布,其深度远大于疲劳辉纹的深度。3711铜铝复合接触线用银铜合金疲劳试验研究 张迎晖 等3.3 瞬断区瞬断区是疲劳裂纹达到临界尺寸后发生的快速破断,是裂纹失稳扩展形成的区域。在疲劳亚临界扩展阶段,随应力循环增加,裂纹不断增长,当增加到临界尺寸时,裂纹尖端的应力场强度因子KI达到材料断裂韧度时,裂纹就失稳快速扩展,导致试样瞬时断裂。该区的断口比疲劳区粗糙,宏观特征与静载拉伸断口中快速破坏的放射区及剪切唇相同。4 疲劳断口纵向剖面显微组织分析图4为裂纹沿晶扩展和穿晶扩展图。从裂纹扩展来看,试样的裂纹扩展存在穿晶和沿晶两种方式,疲劳断裂一般是穿晶断裂1315。穿晶断裂的特点为裂纹扩展较直,由于裂纹一般起源于表面,所以穿晶裂纹一般垂直于表面;而沿晶断裂是指裂纹沿着晶界扩展,裂纹走向多为弯曲状。但穿晶扩展和沿晶扩展可以相互转化。当一个晶内裂纹在扩展时遇到晶界时,如果该晶界适合裂纹的扩展,那么裂纹就由晶内扩展转为晶间扩展,反过来,如果晶间裂纹在扩展过程中,该晶界变得逐渐向加载轴方向倾斜,到一定程度的时候,该晶界就不适合裂纹的扩展了,该裂纹就会变成一个晶内裂纹。通过对试样的纵向剖面观察发现,试样裂纹存在明显的穿晶扩展,并且裂纹基本上垂直于应力轴扩展。(a)沿晶间扩展(b)穿晶扩展图4Cu20.1Ag合金疲劳试样显微裂纹扩展5 结论(1)随着应变幅的增大,滞后环张开的幅度也增大,即滞后环面积也随之增大。Cu20.1Ag合金随循环周次的增加,循环应力逐渐降低,发生疲劳软化现象。变形量为38%的Cu20.1Ag合金循环周期大于变形量为19%的Cu20.1Ag合金循环周期。(2)疲劳试样断裂后存在3个明显疲劳特征区:裂纹源、裂纹扩展区瞬断区。铜铝复合接触线用银铜合金的裂纹扩展具有穿晶和沿晶两种方式。参 考 文 献1 黄崇祺.轮轨高速电气化铁路接触网用接触线的研究J.中国铁道科学,2001,22(1):125.2 杨斌,李明茂.适用于高速电气化铁路的铜合金接触线J .铁道机车车辆,2005,25(1):68270.3 刘平,赵冬梅,田保红.高性能铜合金及其加工技术 M.北京:冶金工业出版社,2005.4 万毅,邓斌,李会杰,等.接触线的疲劳可靠性J.西南交通大学学报,2006,41(2):2142217.5 杨斌,张迎晖,李明茂,等.拉伸复合法制备Cu2Al复合接触线J.特种铸造及有色合金,2008,28(11):8752876.6 王从曾,刘会亭.材料性能学M.北京:冶金工业出版社,2004.7 段启强,莫春立,张哲峰.晶粒尺寸和塑性应变幅对多晶铜疲劳的滞回能的影响J.沈阳理工大学学报,2006,25(3):527,11.8 刘世华.疲劳应力应变滞后环的研究J.沈阳大学学报,2000,12(2):55258.9 孙超.N18合金低周疲劳行为研究D.成都:西华大学,2006.10 上海交通大学金属断口分析编写组.金属断口分析M.北京:国防工业出版社,1979.11 崔约贤,王长利.金属断口分析M.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1998.12 王栓住.金属疲劳M.福州:福建科学技术出版社,1986.13 王跃臣.镍基高温合金热机械疲劳行为研究及微观机制D.沈阳:中国科学院金属研究所,2004.14 周琦,张建斌.铜合金表面疲劳裂纹的扩展行为J.甘肃工业大学学报,2003,29(3):32235.15 王泓.材料疲劳裂纹扩展和断裂定量规律研究D.西安:西北工业大学,2002.(编辑:刘 卫)中国铸造协会将组团参观CastExpo 10展览会为进一步开拓国际铸造市场,了解最新的铸造技术,扩大我国铸件、设备、材料的出口,中国铸造协会将组团参观由美国铸造学会(AFS)和北美压铸协会(NADCA)联合主办的CastExpo10展览会(时间:2010年3月20日-23日地点:奥兰多国际会议中心,佛罗里达州)。CastExpo两年举办一届,是北美最大的专业铸造技术产品及行业贸易博览会。2010年该展览会的参展商达450余家,将展出世界各国最先进的铸造设备、技术以及优秀的铸件及铸造材料,同时,展会期间将配合举办北美铸造业年会MetalcastingCongress,举办针对行业技术交流及产品贸易等十多个主题交流会。一.出团时间、地点出团时间:2010年3月19日,境外停留10天出团地点:北京二.参观内容(1)参观展览会,洽谈进出口业务;(2)参观美国铸造企业或研究机构三.联系人:中国铸造协会刘杰地 址:北京市海淀区紫竹院路甲32号三层 邮 编:100048电话:[phone](转635)传 真:010-68458356邮箱:liujie 网 站:4711特种铸造及有色合金 2009年第29卷第12期Abstract A kind of coating for permanent mold castingMB15 magnesium alloy which is composed of ZnO,1.5%H3BO3and 1.1%alkyl sodium sulfonate and2.0%Na2SiO3has been developed.During pouringprocess,CO2decomposed from H3BO3and alkyl sodi2um sulfonate at high temperature can prevent liquidmetal from oxidation and ignition.The protectingeffects of H3BO3and alkyl sodium sulfonate at hightemperature were described.The results verify thatthe coating exhibits desirable protection for liquid Mgalloy at high temperature.Key Words:Permanent Mold,Water2base Coating,Magnesium AlloyQuality Control in Producing A356.2 Aluminum AlloyIngot Hao Shaowen(Qingtongxia Aluminum Co.,Ltd.,Qingtongxia,China)2009,29(12)11671168Abstract Quality factors in producing A356.2 alumi2num alloy ingot were described,and origination of in2fluencing quality was analyzed.Through adopting ef2fective control countermeasures,un2qualified ingotwas reduced.Key Words:A356.2 Aluminum Alloy Ingot,QualityFactors,Controlling Measures,ProductionEffects of Magnesium on Phase Transformation inCu2Zn Alloy Zhang Luhuai,Xiao Lairong,JiangYuanyuan,Liu Huiqun,Liu Yan(the Key Laboratoryof Non2ferrous Metals,Materials Science and Engi2neering,Ministry of Education,School of MaterialsScience and Engineering,Central South University,Changsha,China)2009,29(12)11691171Abstract CuZn(402x)Mgxalloy(x=2%,4%,6%,in at2om fraction)was prepared by ingot melting method.Effects of Mg content on melting point,phase trans2formation temperature and microstructural evolutionof the alloy were investigated by OM(optical micro2scope),differential thermal analyzer and X2ray diffrac2tometer.The results indicate that with Mg contentmore than 4%,Cu2Mg phase can be observed in theCuZn(402x)Mgxalloy.Phase transformation temperatureand melting point of the alloy are decreased with in2creasing in Mg content.Key Words:Cu2Zn Alloy,Magnesium Alloy,PhaseTransformation,Melting PointLow Cycle Fatigue Behavior of Cu2Ag Alloy for Cu Clad2ding Al Contact Wire Zhang Yinghui,Sun Hongbo,Xiao Xiang,Xiong Shixian,Yang Bin(Faculty ofMaterial and Chemical Engineering,Jiangxi Universi2ty of Science and Technology,Ganzhou,China)2009,29(12)11721174Abstract Low cycle fatigue behavior of Cu2Ag alloy forCu cladding Al contact wire was tested by using differ2ent strain amplitude control with varied deformationrate.The results reveal that with increasing in strainamplitude,area of hysteresis loop is increased.Withincreasing in cycling times,cycling stress is graduallydecreased to lead to the appearance of fatigue soften2ing.The cycling period of Cu2Ag alloy with 38%de2formation rate is higher than that of one with 19%de2formation rate.The fracture morphology of the alloyis composed of crack,crack propagation and rupture.The crack propagation of the Cu2Ag alloy is character2ized by transgranular and along2grain model.Key Words:Cu2Ag Alloy,Hysteresis Loop,FatigueCrack,Contact WireSponsors:Foundry Institution of Chinese Mechani2cal Engineering SocietyEditor in Chief:Yuan ZhenguoPublisher:Journal Agency ofSpecial Casting&Nonferrous AlloysAddress:Unite 22401,Block 1,Qianxiyuan,Wansongyuan Road,Hankou,Wuhan,Hubei Province of P.R.CT el:008622728535820685486024Fax:0086227285358127E2mail:tzzz http:/http:/http:/OverseasDistributor:ChinaInternationalBookTrading Corporation(P.O.Box 399.Bei2jing China)CodeNo:BM6644(ISSN100122249/CODEN:TZJ HEE)Start Publication:1980