涂建國，胡海麗，黃 鳳，司亞春

(深圳市材料表面分析檢測中心，廣東深圳 518117)

受電弓拉桿斷裂失效分析

涂建國，胡海麗，黃 鳳，司亞春

(深圳市材料表面分析檢測中心，廣東深圳 518117)

采用微觀掃描及金相檢驗等方法對受電弓拉桿斷裂的原因進行了分析。結(jié)果表明，受電弓拉桿斷裂是由于承受著拉應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力，導致拉桿過早的產(chǎn)生疲勞和應(yīng)力腐蝕斷裂。

受電弓拉桿;殘余應(yīng)力;應(yīng)力腐蝕

1 情況簡介

受電弓拉桿材質(zhì)為1Cr18Ni9，拉桿機加工后兩端25 mm處進行焊接，焊接后對焊縫進行性能、表面缺陷及滲透檢測，合格后安裝使用。拉桿安裝于電客車車頂與接觸網(wǎng)配合進行DC1500V電力傳輸，在高架橋和隧道運行，拉桿主要承受著動態(tài)的拉應(yīng)力，應(yīng)力隨著上下臂桿之間夾角變化而變化，夾角最小時應(yīng)力最大(即弓頭最低)。該拉桿使用1年時間后，拉桿上端突然發(fā)生斷裂，為查明拉桿斷裂原因。本文分別選取同批生產(chǎn)使用近1年未斷裂的和斷裂拉桿進行檢驗和分析。

(a)，(b)斷裂拉桿;(c)，(d)圖1(b)的局部放大圖圖1 樣品宏觀圖(a)，(b)fracture rod;(c)，(d)partial enlargement of Fig.1(b)Fig.1 Macroscopic pictures of samples

2 理化檢驗

2.1 宏觀檢驗和低倍組織檢查

對斷裂拉桿進行宏觀觀察，拉桿斷裂發(fā)生在距離端面約35 mm，與內(nèi)圈端頭基本平齊處，為橫向斷口，內(nèi)圈有嚴重銹蝕痕跡，斷口表面明顯有三種顏色，A區(qū)域嚴重銹蝕，B區(qū)域輕微銹蝕，C區(qū)域具有金屬光澤。從斷口A裂紋源處能看到靠近外壁有貝殼狀疲勞條紋，C區(qū)域內(nèi)壁有二次裂紋，見圖1。

2.2 金相觀察

對斷裂拉桿進行橫向和縱向金相制樣觀察，橫向制樣樣品發(fā)現(xiàn)有樹枝狀裂紋，從內(nèi)壁向外延伸擴展，裂紋內(nèi)填充有淺灰色腐蝕產(chǎn)物，見圖2(a)?？v向制樣樣品發(fā)現(xiàn)斷口面附近有許多二次裂紋，并且還發(fā)現(xiàn)有一條平行于斷口(主裂紋)的次生裂紋，裂紋同樣以樹枝狀從內(nèi)向外延伸擴展，裂紋內(nèi)均填充有淺灰色腐蝕產(chǎn)物，裂紋附近未見異常，見圖2(b)。樣品腐蝕后觀察，斷口主裂紋和次生裂紋產(chǎn)生于焊縫附近的基材中，靠近內(nèi)圈端頭附近，次生裂紋起始于外圈內(nèi)壁，見圖2(c)?；臑閵W氏體組織，見圖2(d)。

2.3 缺陷微觀觀察及微區(qū)成分分析

利用掃描電子顯微鏡對斷裂拉桿裂紋區(qū)域進行觀察，斷口表面大部分區(qū)域被腐蝕產(chǎn)物覆蓋，無法判斷形貌，從部分干凈區(qū)域觀察形貌發(fā)現(xiàn)，A裂紋源區(qū)斷口形貌為解理+疲勞輝紋，見圖3(a);B區(qū)域發(fā)現(xiàn)應(yīng)力腐蝕的泥狀花樣形貌，見圖3(b)。同時，利用X射線能譜對裂紋內(nèi)填充腐蝕產(chǎn)物進行微區(qū)成分半定量分析，見圖3(c)、3(d)?？梢钥闯觯鸭y內(nèi)灰色產(chǎn)物及斷口泥狀花樣腐蝕產(chǎn)物，均含有硫(S)、氯(Cl)元素，說明微裂紋內(nèi)灰色物質(zhì)是應(yīng)力腐蝕產(chǎn)物。

2.4 化學成分分析

對斷裂拉桿和未斷裂拉桿進行化學成分分析，結(jié)果見表 1，結(jié)果符合標準 GB/T 1220—2007中1Cr18Ni9技術(shù)要求。

2.5 顯微硬度分析

在斷裂拉桿端口附近基材和焊縫處取樣進行顯微硬度分析，結(jié)果見表2。由表2可知，斷裂拉桿的硬度符合標準GB/T 1220—2007中1Cr18Ni9技術(shù)要求。

(a)橫向金相樣品微裂紋形貌;(b)縱向金相樣品微裂紋形貌;(c)腐蝕后裂紋形貌;(d)樣品基體顯微組織圖2 樣品顯微組織圖片(a)micro crack morphology of lateral metallographic specimen;(b)micro crack morphology of vertical metallographic specimen;(c)crack morphology after corrosion;(d)microstructure of matrix sampleFig.2 Microscopic pictures of the specimen

(a)A區(qū)裂紋源區(qū)斷口形貌;(b)B區(qū)裂紋源區(qū)斷口形貌;(c)和(d)裂紋內(nèi)灰色腐蝕產(chǎn)物形貌及能譜圖3 樣品的SEM照片(a)fracture morphology of A crack source area;(b)fracture morphology of B crack source area;(c)and(d)morphology of gay corrosion product in crack and energy spectrumFig.3 SEM pictures of specimens

表1 化學成分分析結(jié)果(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 Result of chemical composition test(ω，%)

表2 顯微硬度測試結(jié)果(HV0.1)Table 2 Result of micro-hardness test(HV0.1)

2.6 力學性能分析

對斷裂拉桿和未斷裂拉桿進行力學性能分析，結(jié)果見表3，力學性能結(jié)果符合標準 GB/T 1220—2007中1Cr18Ni9技術(shù)要求。

表3 力學性能測試結(jié)果Table 3 Result of mechanical properties test

3 分析

3.1 宏觀特征

對斷裂拉桿進行宏觀觀察，斷裂發(fā)生在拉桿一端與內(nèi)圈端部基本平齊，斷口表面大部分區(qū)域銹蝕嚴重。但能觀察到局部區(qū)域有明顯貝殼狀疲勞條紋，疲勞裂紋起始于外壁，具有疲勞斷口宏觀特征［1］。

3.2 化學成分分析

對斷裂拉桿和未斷裂拉桿進行化學成分分析，結(jié)果符合標準GB/T 1220—2007中1Cr18Ni9技術(shù)要求。

3.3 硬度和力學性能分析

對斷裂拉桿進行力學性能檢測，符合標準要求。對斷裂拉桿基材和焊接處進行顯微硬度檢測，基材結(jié)果為 190 HV0.1，焊縫處為 240 HV0.1，基材顯微硬度符合要求但焊接處硬度偏高。

3.4 微觀特征分析

對斷裂拉桿進行金相分析，斷口(主裂紋)發(fā)生在內(nèi)圈端面附近，并且還發(fā)現(xiàn)主裂紋附近二次裂紋及平行于主裂紋的次生裂紋，均產(chǎn)生于焊縫附近的基材內(nèi)，裂紋內(nèi)含有灰色腐蝕產(chǎn)物，裂紋以樹枝狀從內(nèi)向外延伸擴展，為典型的應(yīng)力腐蝕裂紋特征［1］?；臑閵W氏體組織，為固溶處理組織。

3.5 斷口特征分析

通過對斷裂拉桿斷口進行微觀觀察，發(fā)現(xiàn)有疲勞輝紋及泥狀花樣，同時對斷口上泥狀花樣腐蝕產(chǎn)物及金相樹枝狀裂紋內(nèi)腐蝕產(chǎn)物進行成分分析，均含有硫(S)、氯(Cl)元素，充分證明該斷口為典型的疲勞和應(yīng)力腐蝕斷口特征［2］。

3.6 應(yīng)力腐蝕分析

產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的必然條件(內(nèi)因+外因)主要有:拉應(yīng)力(內(nèi)因)來源于拉桿安裝使用后的外力及拉桿焊接后的殘余應(yīng)力;介質(zhì)(外因)來源于大自然中的雨水和潮濕的空氣，通過螺栓縫隙進入拉桿內(nèi)圈，并且在內(nèi)圈與外圈接觸縫隙處，產(chǎn)生狹縫效應(yīng)，加速應(yīng)力腐蝕［2］。

4 結(jié)論

通過對斷裂及未斷裂拉桿進行宏觀、微觀、化學成分、金相、硬度及力學性能檢測，認為斷裂拉桿由于承受著拉應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力，加之環(huán)境介質(zhì)的共同作用，使拉桿內(nèi)圈與外圈接觸的狹縫處產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋。隨著拉桿在動態(tài)交變應(yīng)力的作用下，在局部產(chǎn)生疲勞裂紋，導致拉桿過早的產(chǎn)生疲勞和應(yīng)力腐蝕斷裂。

5 建議

建議嚴格控制安裝受電弓拉桿的拉應(yīng)力，定期清洗和吹掃受電弓拉桿，同時建議使用非焊接件。

［1］鐘群鵬，趙子華.斷口學［M］.北京:高等教育出版社，2006:242-328.

［2］肖元超，楊尚斌，張明哲，等.不銹鋼封頭典型裂紋分析原因及修復［J］.熱處理技術(shù)與裝備，2012，33(01):42-45.

Fracture Failure Analysis of Pantograph Rod

TU Jian-guo，HU Hai-li，Huang Feng，SI Ya-chun
(Shenzhen Center for Analysis and Measurement of Material Surface，Shenzhen Guangdong 518117，China)

The reason for fracture of pantograph rod was analyzed by SEM and metallographic testing.The results showed that the fracture of pantograph rod was due to under tensile stress and welding residual stress，which led to premature rod fatigue and stress corrosion cracking.

pantograph rod;residual stress;stress corrosion

TG115

A

1673-4971(2014)05-0030-04

2014-07-13

涂建國(1985-)，男，高級化驗員，從事材料方面的分析研究工作。

聯(lián)系電話:13632760326;E-mail:TJG863@126.com