《定位线夹断裂的原因分析与解决方案》
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摘 要：针对线路上出现个别定位线夹的断裂现象,本文从宏观样貌分析、硬度测试、微观组织检测等方面综合分析研究,得出定位线夹的断裂原因,并提出解决方案.为线路的安全运营排除后续风险,为定位线夹的持续改进优化提供有益参考.
关键词：定位线夹;断裂;分析;解决方案
中图分类号：U225 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）01-0064-02
0 引言
定位线夹所处的安装位置和所起的功能作用决定了该零件的安全系数要求高,不能出现断裂等事故.而随着电气化铁路的高速发展,定位线夹的使用数量在急剧增加,使用的环境也在不断扩大中.在实际的运营中,曾发现有个别定位线夹断裂.而引起断裂的原因分析就显得非常重要.只有找到真正的断裂原因,才能排除潜在隐患,为线路的安全运营排除后续风险,为定位线夹的持续改进优化提供有益参考.
本文从断裂定位线夹的宏观样貌分析入手,采用硬度测试、微观组织金相、电镜扫描检测等检测手段,综合研究,逐步分析出定位线夹的断裂原因,并提出相应的解决方案.
1 宏观样貌分析
1.1 样件取样位置说明
断裂定位线夹与对比未使用正常定位线夹取样位置如图1所示,断裂面直接进行扫面电镜断口观察;在紧固孔周围取样进行维氏硬度测试;在断裂线夹的中间部位以及对比线夹相同位置取纵截面进行金相观察.
1.2 宏观样貌分析
失效线夹断口宏观形貌如图2所示,从图中可见,断面大部分区域发生氧化变色,甚至部分区域发生磨损,但是也存在较新鲜的断面,如图中圆圈所示位置,说明断裂过程呈现先后断裂的特点,即部分区域先发生断裂,经过一定时间后,裂纹不断扩展,最终载荷大于材料断裂极限时,发生瞬间断裂.另外从图中箭头所示位置可见,断面呈现从一点向某一方向发散的特征,说明裂纹的产生从发散的起点开始,即箭头所示位置.发生这种断裂的断裂形式可能为应力腐蚀断裂或疲劳断裂.
2 硬度测试
对样件按照GB/T 4342-1991标准进行维氏硬度测试,其结果如表1所示.测试结果可见,断裂线夹的硬度为HV194.6（相当于HB185）与未断裂线夹的硬度HV195.1（相当于HB185）相当,较断裂线夹中未断裂一端硬度232.3（相当于HB219）低,对于同一套线夹的两部分,由于形状不同,制造过程中锻造工艺的差异,导致硬度差异,属正常现象,硬度的绝对值大小不具可比性,只说明硬度较高的零件比较低的零件可承受更大载荷.对于形状相同的零件,形同位置硬度相同,说明断裂零件与未断裂零件强度相当,暂可排除由于强度不足导致断裂.
3 微观组织金相、电镜扫描检测
3.1 微观组织金相
断裂定位线夹和未断裂定位线夹相同位置金相显微组织如图3（断裂线夹）和图4（未断裂线夹）所示.从图3可见,断裂线夹在断裂位置整个截面的晶粒大小较均匀,其平均晶粒大小为20～30μm.未断裂的线夹相同位置晶粒大小也较均匀,平均晶粒尺寸也为20～30μm,说明两个线夹晶粒大小相当,与硬度测试结果一致.
3.2 电镜扫描
对断口进行进一步扫描电镜观察如图5所示.从图中可以看出,断面呈现状断面特征,部分区域存在微裂纹,如图5（c）中箭头位置所示,可能为二次裂纹,并且在断口的部分区域表面夹杂物,如图5（d）中所示.这些夹杂物的来源可能为氧化所所致,也可能为外界灰层落入.
4 断裂原因综合分析
从硬度和金相显微组织来看,失效线夹与正常线夹的硬度和金相显微组织均相当,说明其强度相当,发生过载断裂的可能性较小.从断口的宏观形貌看,断口出现先后断裂的特征,且从一点开始断裂,逐渐向其它方向发展,起始断裂点可以断定为应力集中点.由应力集中点向某一方向扩展断裂,这种断裂特征的断裂方式可能为疲劳断裂或应力腐蚀断裂.
根据该零件的装配情况和使用条件分析,该零件为非主承力件,使用时线路上产生的振动疲劳也非本零件主要承受,因此直接由疲劳而导致的断裂可能性较小.因为所承载情况不足以优先形成疲劳裂纹,但是如果该零件在其它因素作用下形成裂纹源后,线路的振动,尤其是振动引起的零件共振则对裂纹的扩展可起到促进作用.
如果使用环境湿度较大,尤其还存在氯离子的情况,或者使用环境中的氨气或SO2偏高的情况下,均可能因此零件的应力腐蚀.据了解,该失效零件使用于厦深线,那么：（1）该线路环境湿度较内地高,潮湿环境中所携带的氯离子浓度也较内地高.（2）根据铁路沿线的特点,其空气中的氨气含量极有可能较其它区域偏高.对于卫生间采用直通式的老式列车,排泄物直通车下轨道,必然引起铁轨沿线环境中氨气含量偏高,即使高铁、动车等新式列车采用真空集便器,也难免导致铁轨沿线环境中氨气含量偏高,而铜合金对氨气又较为敏感,及时环境中存在极少氨气（人类嗅觉无法感受）时,都会引起铜合金的氨脆.（3）大气环境中存在的SO2气体,可能会促进应力腐蚀裂纹的扩展.应力腐蚀断裂的断口特征一般为状沿晶脆性断裂,这与图5中的断口特征一致,且图5中的二次裂纹则反应了沿晶断裂的特征,因此该零件由应力腐蚀导致的断裂可能性较大.
常规情况,同一批材料处于相同的使用环境,发生破坏的情况应一致,但是同一批次样品只发生一件开裂,那么就涉及发生应力腐蚀开裂的另一条件“应力”.从断口的宏观形貌看,存在应力集中点,而应力集中位置往往为应力腐蚀的裂纹萌生处.裂纹萌生期长短不一,少则几天,多则几年,几十年都有可能,主要和环境特征和应力大小有关.这也就不难理解为何同一批次线夹装在同一条线路上,所處的环境相同,但只有该线夹发生断裂,如果该线夹在安装时,紧固力矩大于其它线夹,应力集中点的应力则会增大,从而缩短该线夹裂纹萌生的时间.
裂纹萌生后,随即会发生裂纹扩展,裂纹扩展到一定程度后就不再扩展,也就表现出宏观断口中的新旧断面特征,旧断面是由于裂纹扩展所致,停止扩展后发生长时间氧化.裂纹扩展的过程与环境的关系则更加紧密,（1）环境中存在的氯离子,会不断促进新裂纹的形成,促进裂纹扩展;（2）由SO2气体导致的硫酸离子同样会促进裂纹扩展;（3）断面上积累的灰层以及氧化物,均会导致裂纹无法闭合,形成微杠杆作用,促进裂纹扩展;（4）线路振动以及线夹的振动疲劳也会促进裂纹扩展.
以上因素均可能引起裂纹的扩展,当裂纹扩展到一定程度,未断裂的承载面不足以承受载荷,则会发生瞬间断裂,形成断口中新鲜断面的特征.
综合以上分析,该线夹发生断裂的原因为：（1）安装时紧固力矩偏大,导致线夹局部应力集中,在使用环境中的腐蚀介质作用下,促进了裂纹源的形成,其中氨气氛（极微量）引起的氨脆,可能也是裂纹源形成的重要原因之一.（2）裂纹形成后,特殊的环境气氛导致裂纹的扩展,另外振动疲劳也会加剧应力腐蚀裂纹扩展.虽然在特定的使用环境中应力腐蚀不可避免,但由于裂纹萌生期可能长达几十年,因此只要限制裂纹萌生,则可有效避免应力腐蚀开裂.而裂纹萌生因素中的应力相比于腐蚀介质更容易控制.
5 解决方案
（1）根据定位线夹的断裂情况,建议在施工现场安装定位线夹时,操作人员应采用数控扭矩扳手,严格控制紧固力矩在技术要求范围内.且紧固螺母时,两只螺母应交替旋紧,每只螺母至少旋紧2～3次.尽量避免或减小应力集中.
（2）根据定位线夹的受力情况,应继续优化结构设计,增加薄弱处的强度,减少盈余处的厚度,做到产品的结构合理、受力均匀.
（3）根据定位线夹的使用环境,定位线夹采用铜合金材质虽本身具备优良的防腐性能,但仅适合在内陆、干燥的环境使用.在沿海、工业污染区域,则应进行特殊的表面防腐处理.避免出现腐蚀,从而降低产品机械性能,在长期服役过程中出现断裂.
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