铜镁合金接触线低周疲劳分析

覃作祥，李克欣，陆兴

(大连交通大学 材料科学与工程学院，辽宁 大连 116028)

0 引言

2010年12月7日～9日，第七届世界高速铁路大会在北京召开.中国已成为世界上高速铁路发展最快、系统技术最全、集成能力最强、运营里程最长、运营速度最高、在建规模最大的国家，高铁营业里程达到8358 km，在建里程1.7 万 km［1］.

接触线作为电气化铁路接触网中关键构件，磨损、腐蚀和断裂是其三种主要破坏形式，由于磨损和腐蚀进程很慢，一般可以通过定期更换零件或修理来解决，而断裂发生时，往往导致灾难性的设备事故和人身事故，所以断裂破坏更被重视.接触线在循环变化的载荷或随机载荷作用下工作，疲劳是其主要失效形式.

接触线在受电弓抬升力和风、雨等自然环境作用下，接触线很容易产生振动，振幅越大，导线越易疲劳［5-6］.Starke.P［7］以金属的机械迟滞、温度和电阻值为基础，研究了疲劳评估和疲劳寿命计算，得出S-N曲线的快速精确的计算方法.Srivatsan.T.S.［8］等研究了弥散强化铜在拉压循环疲劳下的疲劳失效行为，得出疲劳寿命的变化规律.张迎辉［9］等研究了铜银合金的低周疲劳性能，得出其基本疲劳性能和组织变化情况.因此，本文通过研究铜镁合金的低周疲劳性能期望为接触线的实际使用寿命和设计提供积极的参考价值.

1 试验方法

本试验用的材料为从实际接触线中截取的含镁0.44%的铜镁合金，抗拉强度约为570 Pa，弹性模量 134 GPa，电阻率为 0.022 5 Ωm/mm2.试样在制备过程中，所采用的机械加工工艺参考国家标准GB/T 15248—2008.疲劳试样标准尺寸如图1所示.疲劳实验在Instron 8801疲劳实验机上完成.

图1 低周疲劳试样

疲劳实验采用不同塑性应变幅0.5%、0.35%、0.2%、0.15%、0.1% 控制，样品加载至断裂或应力幅下降40%为止，测试不同应变幅下疲劳循环次数.循环加载频率为1 Hz，应力比R=－1，正弦波.

2 计算结果与讨论

2.1 循环应力—应变曲线

图2为不同塑性应变幅0.35%、0.1%控制下的循环应力—应变曲线，由于应力和应变不同步，使拉、压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环.从图2(a)中可以看出，在应变为0.35%时，循环次数为700时，滞后环的拉、压加载线仍对称，随着循环周次的增加，开始出现微小的裂纹时，在滞后环上表现为出现拐角，循环到750周次时已有明显的拐角，在循环到800周次后，滞后环变的细长而尖锐，说明裂纹已经扩展到一定尺寸.在不同的塑性应变幅控制下，滞后环的变化规律基本一致，随着循环周次的增加，滞后环逐渐减小，应力逐渐降低，发生循环松弛现象.

图2 铜镁合金在不同塑性应变时的循环应力—应变曲线

2.2 疲劳寿命计算

根据应力—疲劳寿命关系式:

在双对数坐标上，对lg(Δσ/)－lg(2Nf)数据点进行线性回归，其斜率为疲劳强度指数b.2Nf=1对应的纵坐标截距就是疲劳强度系数σ'f，如图3所示.

由于拉、压过程中不同样品的内部应力状态及微观缺陷不同，导致数据点比较分散，但总体看来应力－寿命关系仍满足Manson-Coffin方程.经计算可得疲劳强度指数b=－0.067 5，疲劳强度系数σ'f=251 MPa.

图3 应力—寿命双对数关系

根据应变疲劳寿命关系式:

在双对数坐标上，对lgεp－lg(2Nf)数据点进行线性回归，见图4.2Nf=1对应的横坐标截距就是疲劳延性系数ε'f，其斜率为疲劳延性指数c.

图4 应变—寿命双对数关系

经过计算可得疲劳延性指数c=－0.585 2，疲劳延性系数 ε'f=0.216 9.

弹性应变和总应变表达式如下:

将式(3)和(4)代入 Manson-coffin 公式［13］中，得到:

将计算得到的参数 b，σ'f，c，ε'f值代入式(5)中，即得:

根据式(6)得应变—寿命曲线如图5所示:

图5 应变—寿命关系

2.3 讨论

文献［13］中已说明Manson-coffin公式适用于估算铜合金低周疲劳寿命，因此，通过计算Manson-coffin公式的系数，得出铜镁合金接触线的应变－寿命公式，并绘出其变化趋势，从图5中可以看出，在塑性应变为0.35%时，塑性应变起主要作用，疲劳寿命较短，在塑性应变为0.1%时，弹性应变起主要作用，其过渡寿命NT［14］在塑性应变值在0.1～0.15%之间.

高速电气化铁路用铜镁合金接触线为冷拔加工成型后的线材，位错密度较高，应力较大.从图2中可以看出，随着循环次数增加，应力逐渐降低，塑性应变为0.35%时，应力降低速率明显高于应变为0.1%时的应力降低速率，说明应变较大时，位错密度降低较快.在实际应用中，随着接触线使用年数的增加，接触线应力必然逐渐降低，因此，需考虑循环软化现象，避免出现较大幅度的振动.通过研究应力随循环周次的变化趋势和应变－寿命公式可预测接触线使用过程中的疲劳寿命，为预防接触线发生突然断裂事故提供参考数据.

3 结论

采用不同塑性应变幅控制，对冷拔铜镁合金接触线进行室温低周疲劳试验，结果表明:

(1)接触线用铜镁合金随着循环周次增加，发生循环松弛.随着应变降低，应力降低速率减缓.过渡寿命NT在应变0.1～0.15%之间;

(2)镁铜合金的疲劳强度指数b=－0.0675，疲数劳强度系σ'f=251 MPa，疲劳延性指数c= － 0.585 2，疲劳延性系数 ε'f=0.216 9，具有较好的疲劳性能.

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