賈 旭 戰(zhàn) 雪 周鑫弘

(中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司設(shè)備研發(fā)部，130062，長(zhǎng)春//第一作者，高級(jí)工程師)

動(dòng)車組客室座椅是乘客乘坐安全性和舒適性最為直接相關(guān)的設(shè)備。座椅通過椅腿與地板連接，椅腿的開裂影響著乘客的安全性。現(xiàn)車檢修中發(fā)現(xiàn)客室座椅腿腐蝕現(xiàn)象較為嚴(yán)重，數(shù)量較多，部分有開裂現(xiàn)象，其問題主要集中在材質(zhì)為鋁合金底架的座椅椅腿上。本文對(duì)于此問題展開研究，從椅腿斷裂普查、斷口形式、強(qiáng)度驗(yàn)證、腐蝕介質(zhì)等幾方面對(duì)椅腿開裂進(jìn)行分析，并根據(jù)分析結(jié)果提出優(yōu)化解決方案。

1 座椅椅腿斷裂普查

對(duì)線路上出現(xiàn)典型斷裂問題的6組車輛進(jìn)行普查。6組車輛座椅均投入運(yùn)行5年左右，部分座椅椅腿出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，與原設(shè)計(jì)使用壽命20年嚴(yán)重不相符。其中,3人座椅中間腿開裂占所有開裂椅腿比例達(dá)到了86.84%，這可能與未安裝保護(hù)罩殼關(guān)系較大。除開裂外現(xiàn)象，未開裂椅腿部分也有不同程度的掉漆和腐蝕現(xiàn)象。斷裂椅腿如圖1所示，普查結(jié)果如表1所示。

a) 實(shí)景圖1b) 實(shí)景圖2c) 實(shí)景圖3

圖1 斷裂椅腿圖片

座椅腿材質(zhì)采用A7003S-T5高強(qiáng)度鋁合金型材焊接而成，表面未進(jìn)行氧化處理，但有噴漆。斷裂椅腿如圖1所示，斷裂位置位于角焊縫上方，斷口呈鋸齒狀。

2 椅腿斷口斷裂性質(zhì)分析

2.1 化學(xué)成分和力學(xué)性能檢查

按GB/T 3190—2008《變形鋁及鋁合金化學(xué)成分》要求檢查椅腿材料化學(xué)成分的符合性。化學(xué)元素檢查結(jié)果如表2所示。

表2 椅腿材料化學(xué)成分檢查結(jié)果

按GB/T 6892—2006《一般工業(yè)用鋁及鋁合金擠壓型材》要求檢查椅腿材料力學(xué)性能。材料力學(xué)性能檢查結(jié)果如表3所示。檢查結(jié)果顯示，在化學(xué)成分和力學(xué)性能上均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 椅腿材料力學(xué)性能檢查結(jié)果

2.2 宏觀檢驗(yàn)

對(duì)焊接件的外觀進(jìn)行檢驗(yàn)，焊接件斷口的宏觀形貌如圖2所示，斷口斷面如圖3所示。由圖2可明顯觀察到啟裂源、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)，啟裂源在圓弧右側(cè)直角處，斷口沒有出現(xiàn)明顯的塑性變形，脆斷特征明顯。也就是說從椅腿的內(nèi)側(cè)啟裂源開始啟裂，逐漸向兩側(cè)擴(kuò)散，擴(kuò)散伴隨著椅腿強(qiáng)度降低，當(dāng)載荷大于椅腿承載極限時(shí)產(chǎn)生瞬斷。裂紋擴(kuò)展如圖4所示。

2.3 掃描電鏡觀察及能譜分析

采用捷克Tescan VEGA TS 5136XM掃描電子顯微鏡觀察椅腿直角部分的斷口，如圖5所示。

由圖6—圖9可以看出，在主裂紋的啟裂源和擴(kuò)展區(qū)腐蝕產(chǎn)物主要為鋁的氧化物和一些富Cl、S、Ca、Na、Mg元素的鹽類。斷口裂紋為沿晶裂紋，斷口高低起伏，擴(kuò)展區(qū)有大量的沿晶二次裂紋，呈現(xiàn)明顯的脆性特征，在主裂紋的啟裂源和擴(kuò)展區(qū)裂紋表面有大量的腐蝕產(chǎn)物。

圖2 椅腿斷口的宏觀形貌

圖3 椅腿斷口斷面形貌

圖4 椅腿裂紋擴(kuò)展方向

圖5 椅腿直角部分?jǐn)嗫跀嗝嫖⒂^形貌

圖6 斷口主裂紋啟裂源(放大500倍)

圖7 啟裂源腐蝕產(chǎn)物的能譜

圖8 主裂紋擴(kuò)展區(qū)(放大1 000倍)

圖9 擴(kuò)展區(qū)腐蝕產(chǎn)物的能譜

對(duì)二次裂紋的觀察分析如圖10—圖13所示。由圖可以看出，二次裂紋起始位置也存在大量的腐蝕在外，擴(kuò)展以沿晶的方式進(jìn)行，裂紋存在明顯的分叉特征。

圖10 二次擴(kuò)展裂紋1起始區(qū)(放大100倍)

圖11 二次擴(kuò)展裂紋1擴(kuò)展區(qū)(放大500倍)

圖12 二次擴(kuò)展裂紋2起始區(qū)(放大100倍)

圖13 二次擴(kuò)展裂紋2擴(kuò)展區(qū)尖端(放大100倍)

3 座椅強(qiáng)度測(cè)試

對(duì)未腐蝕座椅進(jìn)行靜強(qiáng)度、座椅靠背疲勞、座椅旋轉(zhuǎn)疲勞、沖擊振動(dòng)等試驗(yàn)，分析斷裂是否由于座椅設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足導(dǎo)致。座椅測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)如圖14所示。

a) 實(shí)景圖1

b) 實(shí)景圖2

3.1 靜強(qiáng)度測(cè)試

依照TB/T 3263—2011標(biāo)準(zhǔn)，在座椅靠背上部加載壓力1 000 N，椅腿未開裂，椅腿最大應(yīng)力為257.8 MPa，小于鋁合金A7003S-T5的許用強(qiáng)度(275 MPa)。

3.2 耐久測(cè)試

依照TB/T 3263—2011標(biāo)準(zhǔn)，在座椅靠背加載壓力(標(biāo)準(zhǔn)要求單靠背)，加載位置在兩個(gè)靠背中心并與靠背上端平齊(標(biāo)準(zhǔn)要求靠背中部)，加載壓力為1 000 N(標(biāo)準(zhǔn)要求245 N)。經(jīng)過14萬次的循環(huán)疲勞試驗(yàn)后，4個(gè)椅腿的焊接焊縫均有開裂現(xiàn)象，而焊接熱影響區(qū)域型材確沒有出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

3.3 旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度測(cè)試

采用人工模擬座椅旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，對(duì)座椅進(jìn)行人工±180°旋轉(zhuǎn)測(cè)試。經(jīng)過7萬次的人工旋轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)后，椅腿型材沒有出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。這說明座椅椅腿可以滿足座椅旋轉(zhuǎn)疲勞要求。

3.4 壽命振動(dòng)測(cè)試

依據(jù)IEC 61373標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試。試驗(yàn)?zāi)M乘客載荷，在座椅靠背上部和坐墊上施加70 kg沙袋，經(jīng)過橫向和縱向兩次沖擊振動(dòng)試驗(yàn)后，椅腿區(qū)域并沒有出出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

上述試驗(yàn)結(jié)果表明，椅腿滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度，開裂非強(qiáng)度不足原因?qū)е隆?/p>

4 椅腿腐蝕過程試驗(yàn)?zāi)M

經(jīng)實(shí)際調(diào)查發(fā)現(xiàn)，動(dòng)車組的車內(nèi)清潔過程中一直使用清潔劑，而清潔劑具有一定的酸堿腐蝕性。對(duì)各站點(diǎn)實(shí)際使用的清潔劑進(jìn)行收集，個(gè)別清洗劑含較強(qiáng)的酸性或堿性。取兩種清洗劑A和B，其中A型清洗劑為酸性，B型清洗劑為堿性。

對(duì)兩種溶液進(jìn)行成分分析，A型清洗劑中含有對(duì)鋁材起到緩蝕作用的成分三乙醇胺硼酸酯和尿素、B型清洗劑中含有對(duì)鋁材起到緩蝕作用的成分有三乙醇胺硼酸酯和苯并三氮唑。

按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6892—2006《一般工業(yè)用鋁和鋁合金擠壓型材》進(jìn)行鋁合金型材抗應(yīng)力腐蝕性能試驗(yàn)，驗(yàn)證型材在腐蝕溶液中是否發(fā)生應(yīng)力腐蝕以及腐蝕時(shí)長(zhǎng)。

4.1 配置試驗(yàn)用浸泡溶液

配制與現(xiàn)車清洗劑相同的溶液，溶液配制如表4所示。

表4 清洗劑溶液配制表

4.2 制作浸泡樣件

在椅腿型材上割取3段樣件，并去除內(nèi)部加強(qiáng)筋和油漆涂層，參照標(biāo)準(zhǔn)選用螺栓固定，浸泡樣件如圖15所示。

4.3 浸泡試驗(yàn)

分別在3個(gè)塑料盒倒入浸泡溶液，試驗(yàn)樣件置于溶液中，如圖16所示。5天后經(jīng)A溶液浸泡過的產(chǎn)品出現(xiàn)裂紋(見圖17 a))，10天后經(jīng)B溶液浸泡過的產(chǎn)品出現(xiàn)裂紋(見圖17 b))。經(jīng)A溶液浸泡的樣件裂紋要明顯大于經(jīng)B溶液浸泡產(chǎn)品，這與表1中前3組車椅腿開裂數(shù)量低于后4組車較符合。按中性氯化鈉溶液浸泡的產(chǎn)品未出現(xiàn)裂紋。具體見表5所示。

圖15 椅腿浸泡樣件

圖16 椅腿浸泡試驗(yàn)場(chǎng)景

酸性或堿性清潔劑都具有腐蝕性，椅腿在溶液中很快就會(huì)發(fā)生腐蝕。車輛清洗的過程中如果沒有對(duì)清洗劑稀釋到規(guī)定濃度會(huì)使加劇腐蝕。但即使稀釋到規(guī)定的濃度，如果不能及時(shí)清除掉，在表面不平整的地方會(huì)有清洗劑堆積，隨著清洗劑中水逐漸蒸發(fā)，酸、堿濃度加大，也會(huì)增加腐蝕的可能性。清洗劑的酸堿性不可避免，所以關(guān)鍵還是要提升椅腿自身的防腐性能。

a) A溶液浸泡

b) B溶液浸泡

腐蝕液種類開始時(shí)間完成時(shí)間結(jié)果A清洗劑9月11日9月21日開裂B清洗劑9月11日9月21日開裂氯化鈉溶液9月11日9月21日未開裂

5 分析討論

一般產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋必須具備3個(gè)條件：存在拉應(yīng)力；材料對(duì)應(yīng)力腐蝕有高的敏感性；特定的腐蝕環(huán)境。椅腿經(jīng)斷口斷裂性質(zhì)分析、強(qiáng)度分析和腐蝕過程模擬，可以判定以上3個(gè)條件都具備，且裂紋各種特征完全符合，故可斷定椅腿裂紋為應(yīng)力腐蝕裂紋。

鋁合金應(yīng)力裂紋的產(chǎn)生機(jī)理主要存在兩種解釋:一是陽極溶解理論;二是陰極氫脆開裂機(jī)理。陽極溶解理論認(rèn)為，在腐蝕介質(zhì)中，合金表面會(huì)形成一層保護(hù)膜，而在拉應(yīng)力或活性離子(Cl-)作用下，會(huì)發(fā)生膜的破壞，致使合金表面裸露，裸露的基體金屬與合金其他表面構(gòu)成小陽極和大陰極的腐蝕電池，故合金新鮮表面就發(fā)生了陽極溶解，由于陽極面積比陰極的小得多，陽極的電流密度很大，進(jìn)一步腐蝕已破壞的表面。氫脆理論則認(rèn)為，腐蝕過程中產(chǎn)生的自由原子氫通過應(yīng)力誘導(dǎo)擴(kuò)散和位錯(cuò)遷移，使得氫向裂紋前端的高應(yīng)力區(qū)富集，經(jīng)過足夠長(zhǎng)的時(shí)間后，氫濃度達(dá)到一個(gè)臨界值，便可促使氫脆的發(fā)生，并且鋁合金中聚集分布的不溶項(xiàng)類同于三軸應(yīng)力缺陷，首先捕捉了反應(yīng)生成的氫原子，并在拉應(yīng)力的作用下沿晶界優(yōu)先偏聚，引起沿晶開裂。氫在裂紋附近的濃度高于基體濃度，在裂紋尖端氫除了濃度較高外，其擴(kuò)散系數(shù)也最大，比距離裂紋較遠(yuǎn)外基體中的高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

6 優(yōu)化措施

對(duì)于應(yīng)力腐蝕，從座椅自身出發(fā)，給出如下建議:

(1) 增強(qiáng)底架的防腐保護(hù)，將3人座椅中間椅腿包裹在椅腿罩殼中(見圖18)，既可防止磕碰掉漆，又可減少與清洗劑接觸。

圖18 椅腿罩殼

(2) 提高表面平整性，減少能夠存留液體的孔洞和溝槽，使清洗劑不容易在椅腿存留。

(3) 控制應(yīng)力腐蝕，關(guān)鍵在于防止腐蝕，將原座椅椅腿表面涂層噴漆改成噴塑，增加防腐性能。

按GB/T 10125—2012《人造氣氛腐蝕試驗(yàn) 鹽霧試驗(yàn)》要求對(duì)噴漆和噴塑兩種表面處理的椅腿樣件進(jìn)行防腐試驗(yàn)(見圖19)。試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

a) 噴塑處理

b) 噴漆處理

表面處理溫度/℃沉降量/(mL/(80 cm2·h))鹽溶液體積分?jǐn)?shù)/%pH值試驗(yàn)時(shí)間/h結(jié)論噴塑351～256.5～7.2720無明顯腐蝕油漆351～256.5～7.2260鼓包、開裂

噴塑的椅腿防腐性能要明顯高于噴漆。按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，24 h的鹽霧試驗(yàn)相當(dāng)于自然條件下使用一年，噴塑720 h代表能夠滿足自然使用30年，滿足設(shè)計(jì)壽命。

(4) 底架為鋁合金焊接結(jié)構(gòu)件，焊接過程中容易產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，故應(yīng)做好自然時(shí)效流程，去除預(yù)應(yīng)力。

7 結(jié)論

(1) 座椅腿開裂是典型的高強(qiáng)度鋁合金應(yīng)力腐蝕開裂。椅腿在腐蝕狀態(tài)下承受負(fù)載能力降低,在長(zhǎng)期處于應(yīng)力腐蝕工況下，易引發(fā)開裂。

(2) 清洗劑中含有對(duì)鋁合金起緩蝕的成分，能夠造成鋁合金腐蝕。

(3) 油漆表面的防腐性能過低，不能滿足設(shè)計(jì)壽命要求，如將噴漆改為噴塑處理，能夠有效提高表面防腐能力。