吊弦材料-CuMg0.4合金载流型弯曲微动疲劳特性研究

摘要

吊弦材料CuMg0.4合金具有优良的导电性能和较高的抗拉强度，现广泛应用于电气化铁道承力索、接触线等特殊用线方面，具有极高的应用前景和研究价值。本文以吊弦材料CuMg0.4合金为研究对象，结合高速铁路接触网吊弦的实际运行工况，针对吊弦易断裂这一弊端展开研究，分析吊弦断裂的原因，避免吊弦过早失效，以提高其服役期的可靠性及安全性，夯实了我国在该领域的研究数据。根据已有研究，发现微动疲劳是导致吊弦断裂的主要原因之一。针对这一现象，此次研究采用自主设计的夹具对牌号为CuMg0.4的铜镁合金进行载流弯曲微动疲劳试验，研究其在高电流强度下，不同参数对CuMg0.4合金弯曲微动疲劳损伤的影响，并对高速接触网吊弦寿命进行了预测。通过大量试验以及数据分析处理，得到接触网吊弦材料CuMg0.4合金载流弯曲微动疲劳S~N寿命曲线。通过微观分析设备对试样微动损伤区进行了疲劳裂纹分析、断口形貌分析等微观分析。此次研究能够为吊弦的优化设计提供数据支撑，提高吊弦服役可靠性、安全性，并对新材料的开发及应用具有重要意义。本文研究得出如下结论：　　(1)通过对CuMg0.4合金进行多次载流弯曲微动疲劳试验，得到了接触网吊弦材料CuMg0.4合金的S~N曲线。并发现随着疲劳应力的增大，载流弯曲微动疲劳寿命曲线呈：先增大后减小、再增大后减小的趋势。根据分析结果将其S~N曲线分成三个不同微动运行区域，即：完全滑移区(SR)、混合区(MFR)和部分滑移区(PSR)。当试样处于混合区时，接触区表面裂纹萌生及裂纹扩展速度最快，其载流弯曲微动微动疲劳寿命最低。　　(2)通过对三种不同的微动响应区进行分析，可以发现：在高电流条件下，三个不同接触损伤区表面的氧化程度与循环次数呈正相关。在高电流的作用下，接触损伤区的表面电化学腐蚀加剧，接触区氧化程度加重。其氧化磨屑的主要成分是CuO和Cu2O，并且随着循环次数的增加，接触损伤区中的Cu+会逐步向Cu2+转换。此外，通过微观分析发现接触损伤区磨损形式主要分为四种磨损形式：即，粘着磨损、氧化磨损、腐蚀磨损和磨粒磨损。　　(3)对比分析了常规载流弯曲疲劳和载流弯曲微动疲劳这两种疲劳形式，结果表明：两种断口形貌均存在疲劳源区、裂纹扩展区及瞬断区，并且载流弯曲微动疲劳断口靠近接触区表面的部分有类似灼伤的痕迹。同时，对试样表面裂纹进行分析以研究表面裂纹的萌生及扩展机理，研究结果显示：当试样接触区表面近加载端时会出现明显裂纹，但未在固定端发现裂纹。　　(4)最后在相同疲劳应力下，对CuMg0.4合金在不同法向载荷下的载流弯曲微动疲劳损伤状况进行了研究，结果表明：随着法向载荷的增大，试样载流弯曲微动疲劳寿命降低，接触损伤区损伤面积增大，磨损深度增大，损伤加剧。

目录

声明

第1章绪论

1.1 引言

1.2 微动疲劳

1.2.1 微动基本概念

1.2.2 微动疲劳影响因素

1.2.3 微动疲劳发展历程及研究现状

1.2.4 微动疲劳损伤实例及防护措施

1.3 载流摩擦概述

1.3.1 载流摩擦基本概念

1.3.2 载流摩擦基本特征

1.3.3 载流摩擦影响因素

1.3.3 国内外流载摩擦研究现状

1.4 论文的研究意义和研究内容

1.4.1 论文研究内容

1.4.2 论文研究的意义

第2章载流弯曲微动疲劳试验设备及研究方法

2.1 载流弯曲微动疲劳试验装置

2.2 试验材料选取与制备

2.2.1 试样材料

2.2.2 微动垫材料

2.3 常规载流弯曲疲劳和载流微动疲劳试验参数简介

2.4 试验结果分析方法及设备简介

2.4.1 扫描电子显微镜（SEM）

2.4.2JXA-8230超级电子探针显微分析仪

2.4.3Bruker白光干涉三维轮廓仪

2.4.4ESCALAB250XiXPS光电子能谱仪

第3章吊弦材料（CuMg0.4）载流型弯曲微动疲劳行为研究

3.1 电流强度对试样寿命的影响

3.2CuMg0.4合金载流S~N曲线分析

3.3 微动疲劳裂纹分析

3.4疲劳断口对比分析

3.4.1 载流弯曲疲劳断口分析

3.4.2 载流弯曲微动疲劳断口分析

3.5 本章总结

第4章不同参数对载流型弯曲微动损伤行为影响研究

4.1 循环次数对载流弯曲微动疲劳损伤的影响

4.1.1 载流弯曲微动疲劳混合区损伤分析

4.1.2 载流弯曲微动疲劳部分滑移区损伤分析

4.1.3 载流弯曲微动疲劳完全滑移区损伤分析

4.2 弯曲疲劳应力对弯曲微动疲劳损伤的影响

4.3 不同法向载荷对弯曲微动疲劳损伤的影响

4.4 本章总结

第5章结论与展望

5.1 结论

5.2 未来展望

参考文献

致 谢

攻读硕士学位期间发表的论文