汪吉健

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)建成投運(yùn)的客運(yùn)專線中，許多最低環(huán)境溫度僅在-40℃左右，例如哈大客運(yùn)專線最低環(huán)境溫度-40℃、蘭新第二雙線最低環(huán)境溫度-41.5℃。在低溫環(huán)境下，隨著溫度降低，接觸網(wǎng)材料強(qiáng)度得到提高，但塑性及韌性逐漸降低，特殊情況下甚至出現(xiàn)脆性斷裂。

本文著重分析了高速鐵路接觸網(wǎng)所采用的主要金屬材料在低溫環(huán)境下的特性，并提出相關(guān)材質(zhì)選擇建議，以期為嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路接觸網(wǎng)研究、設(shè)計(jì)提供參考。

1 低溫對(duì)接觸網(wǎng)金屬零部件影響

1.1 金屬低溫機(jī)械特性

根據(jù)《水工混凝土施工規(guī)范》（DL/T 5144-2001）中的術(shù)語(yǔ)定義第 4.0.13條，嚴(yán)寒地區(qū)定義為最冷月平均溫度≤-10℃的地區(qū)。表1標(biāo)明了國(guó)內(nèi)最低溫度分布情況[1]。

由表1可得，國(guó)內(nèi)除廣東、廣西、福建及浙江沿海外，其余大部分均為嚴(yán)寒地區(qū)。

強(qiáng)度是材料抵抗變形與斷裂的能力；塑性是斷裂時(shí)材料總塑性變形程度；而韌性則是材料塑性變形和斷裂全過程中吸收能量的能力，它是強(qiáng)度和塑性的綜合表現(xiàn)。韌性包括斷裂韌性與沖擊韌性，其中斷裂韌性是反映材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的性能指標(biāo)，主要體現(xiàn)在裂紋擴(kuò)展功大??；沖擊韌性是指材料塑性變形和斷裂全過程中吸收能量的能力，體現(xiàn)在裂紋形成功及裂紋擴(kuò)展功大小[2]。

表1 中國(guó)最低溫度分布地區(qū)表

一般來說，在低溫環(huán)境下，金屬材料呈現(xiàn)如下機(jī)械特性：

（1）強(qiáng)度及塑性。大量試驗(yàn)結(jié)果和研究證明，fy、fu隨溫度變化規(guī)律可近似為[3]

隨著溫度降低，強(qiáng)度升高，且fy增加速度要大于fu的增加速度。當(dāng)溫度降至某臨界點(diǎn)Ter時(shí)，屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度相同，該點(diǎn)被定義為零塑性臨界溫度，即發(fā)生脆性斷裂的溫度。

（2）沖擊韌性。文獻(xiàn)[3]指出，沖擊韌性一般隨溫度降低而降低。但材料不同，降低速度不同。

（3）焊接。低溫除對(duì)金屬零部件材質(zhì)自身性能影響外，還對(duì)各金屬零部件連接方式有一定影響。文獻(xiàn)[4]提出低溫對(duì)采用焊接方式連接可能存在的影響包括焊接接頭冷卻速度增加，冷裂紋敏感性也增加；在低溫環(huán)境下用相同的熱源，相同的時(shí)間，不能達(dá)到應(yīng)有的預(yù)熱效果；焊接殘余應(yīng)力的作用加?。画h(huán)境溫度對(duì)焊工的操作帶來不利的影響。

1.2 接觸網(wǎng)主要金屬材料及其低溫特性

高速鐵路接觸網(wǎng)主要采用的金屬材料有銅合金、鋁合金及鋼材質(zhì)。

1.2.1 銅合金

銅合金主要應(yīng)用于接觸線、承力索等零部件。文獻(xiàn)[5]給出了銅及銅合金的低溫力學(xué)性能，見表2。由表2可知，銅合金材質(zhì)在溫度降低時(shí)，抗拉強(qiáng)度有所增加，沖擊韌性有所降低，但二者變化都非常小。因此，低溫對(duì)銅合金影響較小。

表2 銅及銅合金低溫力學(xué)性能表

1.2.2 鋁合金

鋁合金材質(zhì)主要應(yīng)用于腕臂、腕臂支撐定位器本體等。鋁合金具有獨(dú)特的物理、化學(xué)性能，它的外觀呈銀灰色，密度小，電阻率小，線脹系數(shù)大。由于鋁為面心立方結(jié)構(gòu)，無(wú)同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，無(wú)“延-脆”轉(zhuǎn)變，因而具有優(yōu)異的低溫韌性，在低溫下能保持良好的力學(xué)性能。

1.2.3 鋼材質(zhì)

鋼材主要應(yīng)用在支柱、硬橫梁等零部件。文獻(xiàn)[3]指出，鋼材質(zhì)隨溫度降低，呈現(xiàn)了不同機(jī)械特性。鋼結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)可分為屈服破壞與斷裂破壞。屈服破壞是由于零部件內(nèi)部部分應(yīng)力達(dá)到鋼材屈服強(qiáng)度后，同時(shí)承載能力達(dá)到極限，不能承受繼續(xù)增加的外荷載。隨著溫度降低，鋼材屈服強(qiáng)度與極限強(qiáng)度逐漸提高。在接觸網(wǎng)所受荷載不變時(shí)，溫度越低，距離屈服強(qiáng)度及極限強(qiáng)度越遠(yuǎn)，因此一般不會(huì)產(chǎn)生屈服破壞。

斷裂破壞主要包括脆性斷裂和韌性斷裂。產(chǎn)生脆性斷裂的因素包括低溫、應(yīng)力集中、動(dòng)荷載及焊接連接等。在上述因素中，低溫影響最為明顯。文獻(xiàn)[3]指出，對(duì)一些鋼材的相關(guān)研究表明，零塑性臨界溫度位于100K（-173.15℃）附近。目前，接觸網(wǎng)最低環(huán)境溫度（工作溫度）約為-40℃，遠(yuǎn)高于-173.15℃，因此如果沒有明顯的缺陷，發(fā)生脆性斷裂的可能性很小。

隨著溫度降低，鋼材的沖擊功逐漸降低，因此沖擊韌性下降非?？臁Ｓ蓤D1可知，鋼材焊縫沖擊韌性下降也非?？?，容易發(fā)生韌性斷裂。

圖1 16 Mn鋼焊縫低溫沖擊值示意圖

由上述分析可知，在接觸網(wǎng)金屬零部件中，鋼材質(zhì)受低溫環(huán)境影響較大，容易產(chǎn)生韌性斷裂。而銅合金及鋁合金材質(zhì)基本不受影響。

2 接觸網(wǎng)鋼材質(zhì)在低溫環(huán)境下應(yīng)用

2.1 接觸網(wǎng)荷載分析

接觸網(wǎng)所受荷載主要由3類組成，一是永久荷載，即靜荷載，比如重力、工作張力等；二是可變荷載，即動(dòng)荷載，比如冰荷載、風(fēng)荷載；三是偶然荷載，比如地震、接觸網(wǎng)斷線等。偶然荷載是具有一旦出現(xiàn)其值很大且持續(xù)時(shí)間很短的荷載[6]，其效果可視為沖擊荷載。地震及接觸網(wǎng)斷線時(shí)，受到?jīng)_擊的鋼結(jié)構(gòu)件主要有鋼柱、硬橫梁、基礎(chǔ)螺栓等。

2.2 鋼材應(yīng)用相關(guān)規(guī)定

2.2.1 鋼材質(zhì)選用

接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)用鋼材一般為 Q235或 Q345。在沖擊性能上，Q235或Q345有如下要求：

（1）對(duì)焊接鋼材質(zhì)，當(dāng)結(jié)構(gòu)工作溫度不高于0℃但高于-20℃時(shí)，Q235鋼及Q345鋼應(yīng)具有0℃沖擊韌性的合格保證；當(dāng)結(jié)構(gòu)工作溫度不高于-20℃時(shí)，對(duì)Q235鋼和Q345鋼應(yīng)具有-20℃沖擊韌性合格保證。

（2）對(duì)非焊接鋼材質(zhì)，當(dāng)結(jié)構(gòu)工作溫度不高于-20℃時(shí)，對(duì)Q235鋼和Q345鋼應(yīng)具有0℃沖擊韌性的合格保證。

2.2.2 鋼材連接

（1）在工作溫度等于或低于-20℃地區(qū)，結(jié)構(gòu)宜采用螺栓連接。

（2）需采用焊接方式時(shí)，適用于較薄的板件結(jié)構(gòu)，同時(shí)宜采用低氫型焊條；對(duì)接焊縫應(yīng)焊透，質(zhì)量等級(jí)為一級(jí)。

2.3 Q235與Q345的對(duì)比分析

Q235為普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，一般用于鋼結(jié)構(gòu)建筑、工程機(jī)械等工程結(jié)構(gòu)；Q345為低合金結(jié)構(gòu)鋼，一般用于較高荷載的結(jié)構(gòu)件，低溫韌性良好。

2.3.1強(qiáng)度對(duì)比[8]

由圖2可知，無(wú)論Q235還是Q345，其屈服強(qiáng)度與極限強(qiáng)度均隨溫度降低而逐漸升高，但無(wú)論什么溫度下，Q345屈服強(qiáng)度及極限強(qiáng)度均大于Q235相應(yīng)值。由圖3可知，隨著溫度降低，屈服強(qiáng)度提高速度大于極限強(qiáng)度。特別是 Q235，屈強(qiáng)比提高速度非?？?，而Q345變化則相應(yīng)平緩得多。

圖2 Q235、Q345屈服與極限強(qiáng)度隨溫度變化圖

2.3.2 沖擊韌性對(duì)比

由圖4、圖5分析可知，Q235、Q345沖擊功均隨著溫度降低而降低。但Q345鋼材的沖擊功一般均大于Q235材質(zhì)。因此，在低溫環(huán)境下，Q345鋼材的韌性遠(yuǎn)優(yōu)于Q235鋼材。

圖4 Q345結(jié)構(gòu)鋼材沖擊功隨溫度變化圖

圖5 Q235結(jié)構(gòu)鋼材沖擊功隨溫度變化圖

2.3.3 不同厚度對(duì)比[7]

從表3可知，無(wú)論Q235還是Q345，隨著鋼材厚度增加，其抗拉、抗壓、抗彎、抗剪性能都有所下降。但在任意厚度，Q345機(jī)械性能均優(yōu)于Q235鋼材。

表3 Q235與Q345不同厚度機(jī)械特性對(duì)比分析表

由上述分析可知，在不同溫度環(huán)境、不同厚度情況下，Q345鋼材均表現(xiàn)出較 Q235更出色的機(jī)械特性，特別是在低溫沖擊韌性方面性能更優(yōu)。

3 結(jié)論

（1）根據(jù)銅合金、鋁合金及鋼材質(zhì)低溫特性，嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路接觸網(wǎng)零部件盡可能采用銅合金或鋁合金，減少鋼材質(zhì)應(yīng)用。如腕臂、腕臂支撐、承力索座等采用鋁合金材質(zhì)，終端錨固線夾采用銅合金材質(zhì)等。具體見表4。

表4 嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路接觸網(wǎng)零部件材質(zhì)表

（2）表4所列的鋼材質(zhì)零部件均直接承受動(dòng)荷載，并且支柱、硬橫梁、吊柱、基礎(chǔ)螺栓在地震及接觸網(wǎng)斷線時(shí)承受沖擊荷載，因此必須考慮沖擊功對(duì)零件影響。由第2.2節(jié)、第2.3節(jié)分析可知，建議在低溫工作環(huán)境下，一般選用沖擊韌性較好的Q345鋼材質(zhì)。同時(shí)，由于厚鋼材輥軋次數(shù)少、組織欠密，與薄鋼材相比，沖擊韌性較差。因此，在低溫條件下使用的鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量采用較薄的鋼材。

（3）鋼材質(zhì)連接盡可能采用螺栓等非焊接連接方式。確需采用焊接（如H形鋼柱與底板連接）時(shí)，應(yīng)根據(jù)焊接環(huán)境、焊縫形式、連接鋼材型號(hào)等選用合適的焊接工藝及焊條，例如根據(jù)接觸網(wǎng)特點(diǎn)，焊縫等級(jí)應(yīng)確定為一級(jí)，焊條型號(hào)應(yīng)與主體金屬力學(xué)性能相適應(yīng)，且宜采用低氫型焊條等。

（4）腕臂底座、墜砣限制架等鋼材質(zhì)零部件僅承受靜荷載與動(dòng)荷載，因此可不考慮沖擊韌性，但加工環(huán)境也應(yīng)該滿足文獻(xiàn)[7]相關(guān)規(guī)定，比如沖孔邊距、焊接環(huán)境等。

4 建議

（1）嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路接觸網(wǎng)在國(guó)內(nèi)尚無(wú)成熟的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，相關(guān)研究才剛剛起步。建議有關(guān)部門對(duì)其進(jìn)行專題立項(xiàng)研究，特別是進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)以獲得大量可供采用的寶貴數(shù)據(jù)。同時(shí)，研究不能僅限于金屬材質(zhì)，應(yīng)進(jìn)一步涵蓋接觸網(wǎng)所常用的瓷、硅橡膠等材質(zhì)。

（2）盡管Q345較Q235在沖擊韌性、屈服強(qiáng)度等方面有較大優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)也在個(gè)別項(xiàng)目上進(jìn)行了嘗試，但從應(yīng)用反饋情況看不甚理想。因此，建議加工廠家重點(diǎn)總結(jié)Q345材質(zhì)在冷、熱彎加工、焊接等方面的經(jīng)驗(yàn)，確保滿足工程需要。

（3）目前，國(guó)內(nèi)在東北等地區(qū)，電力系統(tǒng)在鐵塔上已經(jīng)開始采用Q390及以上等級(jí)鋼材。國(guó)內(nèi)鐵路目前正在走出國(guó)門，走向世界，今后勢(shì)必碰到溫度更低的運(yùn)營(yíng)環(huán)境。因此除對(duì)Q345及Q235進(jìn)行分析研究外，還應(yīng)盡快開展Q390及以上等級(jí)鋼材在接觸網(wǎng)應(yīng)用特性方面的研究。

[1]中鐵天津電氣化勘察設(shè)計(jì)院.接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)手冊(cè).北京：鐵道出版社，1983.

[2]于啟湛，丁成鋼，史春元.低溫用鋼的焊接[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[3]王元清，武延民，石永久，等.低溫對(duì)結(jié)構(gòu)鋼材主要力學(xué)性能影響的試驗(yàn)研究[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，2，（1）：2，4.

[4]劉景風(fēng)，段斌，馬德志.新技術(shù)在國(guó)內(nèi)建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接中的應(yīng)用[D].鋼結(jié)構(gòu)焊接國(guó)際論壇論文集，2006.

[5]宋小龍，安繼儒.新編中外金屬材料手冊(cè)[S].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[6]GB 50009-2001 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.

[7]GB 50017-2003 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2003.

[8]武延民.鋼結(jié)構(gòu)脆性斷裂的力學(xué)機(jī)理及其工程設(shè)計(jì)方法研究[D].北京：清華大學(xué)，2004. 收稿日期：2011-02-28