（材料学专业论文）接触线用稀土微合金化高强高导cucrzr合金时效析出特性研究.pdf

摘- j r - 论文题目：接触线用稀土微合金化高强高导c u c r - z r 合金 时效析出特性研究 学科专业：材料学 研究生：刘勇 指导教师：刘平教授 摘要 签名： 签名： 针对我国亮速电气化铁路对接触线用材料提出的性能要求，研戳瓢开发了新型接触线 用稀土微合金化高强高导c u c r - z r ( - r e ) 合金材料，并对其时效析出特性进行了研究。 采用相对电阻率y 和其变化量a y 作为评价时效过程的参数，基于动态电阻法对合金等 温加热和等速( 变温) 加热时效析出动力学进行了研究研究表明：随等温时效温度升高， 孕育期缩短，y 的增加速率呈现上升趋势；合金在等速加热时效时，加热速率较小则y 较大，而加热速率越大则时效过程开始和结束的温度也越高。 对比研究了几种合金时效析出行为和强化机理，研究发现：固溶态合金进行时效处理 时，时效初期显微硬度和导电率均大幅上丹，c u c r - z r 合金经4 8 0 x 2h 时效后显微硬 度和导电率分别为1 0 6h v 和7 2 8 i a c s ；对固溶态合金施以冷变形后，可为析出相的形 核及生长提供有利条件并加速时效析出过程的进行，同时会出现析出和再结晶两个过程， 二者交互作用会对时效后组织和性能产生影响，c u c r - z r 合金经固溶一6 0 变形- 4 8 0 1 2 x l h 时效后性能为1 5 4 i - i v 和8 3 5 i a c s ；添加微量r e 后，相同时效处理后合金显微硬度 比c u c r - z r 合金高出约1 5 - 2 0i - i v ，而导电率则降低约2 - 4 i a c s ，同时改善了c u - c r - z r 合金高温性能，其抗软化温度提高约3 0 - 4 0 ：微观分析表明，合金的时效析出强化， 是由在铜基体上析出体心立方晶格的c r 和面心立方c r c u 2 ( z r , m g ) 两秘析出相共同作用造 成的；研究提出了合金接触线加工工艺，加工后线材力学性能达到：抗拉强度，6 0 5 6m p a ； 导电率，8 0 8 i a c s ；延伸率，1 0 2 。完全满足高速电气化铁路对接触线高强( = - 5 5 0 m p a ) 、高导( , - 8 0 i a c s ) 及延伸率( z 5 ) 等方面的要求。在采用矩形梁弯曲试验进 行应变分布测试结果的基础上，首次利用勒让德多项式作为裂纹柔度法中的插值函数对合 金线材残余应力大小及分布进行了计算。经固溶时效- 变形处理后合金残余应力将发生释 放并降低到约一5 0m p a - 3 0m p a 范围内。 在自剑电磨损实验枫上对合金导线进行了电滑动磨损试验；楣圆试验条件下，三种 c u c r - z r - r e 合金耐磨性均优于c u c r - z r 合金，其中又以c u c r - z r - c e 合金耐磨性最好；随 羟 西安理工大学博士学住论文 着载流强度的增加，r e 对c u c r - z r 合金耐磨性能的改善作用有所下降；s e m 观察和e d s 分析均表明，未加电流情况下，合金的滑动磨损形式有粘着磨损、磨粒磨损和疲劳磨损， 其中疲劳磨损为其主要磨损形式，而在载流磨损条件下，合金的磨损增加了电烧蚀磨损形 式；研究发现在磨损表面下的亚表层中发生了再结晶现象，同时产生一个与磨损表面相垂 直的拉应力分量，该应力将促进亚表层中裂纹的形成及扩展、加速合金的磨损过程。首次 在本实验条件下，建立了接触线滑块电磨损的物理模型和数学模型。 关键词：c u c r - z r ( - r e ) 合金；时效析出；动力学；残余应力分布；电磨损机理和模型 本研究得到国家“8 6 3 ”高技术发展计划项目( 2 0 0 2 a a 3 3 1 1 1 0 ) 和河南省杰出人才基 金项目( 0 5 2 1 0 0 1 2 0 0 ) 的资助。 i i a b s t r a c t t i t i e ：a g i n gp r e c i p l t 酊i o nc h a r a c t e r i s t i c s0 fh i g hs t r e n g - t hh i g he l e c t r i c a lc o n d u c t i v l l ya n dt r a c ea l l o y e d c u - c r - z ra l l o yc o n t a c tw i r e m a j o r ：m a t e r i a l ss c i e n c e n a m e ：l i uy o n g s u p e r v i s o r ：p r o f l i up i n g a b s t r a c t s i g n a t u r e - 兰：三盟 s i g n a t u r e ： a c c o r d i n gt ot h ep r o p e r t i e so fc o n t a c tw i r eu s e dm a t e r i a l so fh i g h s p e e de l e c t r i c a lr a i l w a y , an 绷s e r i e st r a c ea l l o y e dc u - c r - z r ( - r e ) c o n t a c tw i r e sw i t hh i g hs t r e n g t ha n dh i g he l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t yw e r ed e v e l o p e da n dm a n u f a c t u r e d t h ea g i n gp r e c i p i t a t i o nb e h a v i o ro ft h ea l l o y s w a si n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r t h er e l a t i v e l ye l e c t r i c a lr e s i s t a n c er a t i o ，s u c ha st h erv a l u eo rt h e yv a l u ew h i c hw a s d e f i n e dt h ec h a n g eo ft h erv a l u ea st h ep a r a m e t e r s ，w a su s e dt oe s t i m a t et h ek i n e t i c so f i s o t h e r m a l - h e a t i n ga n di s o - s p e e d - h e a t i n ga g i n gp r e 矗p i t a t e db yu s i n gt h ed y n a m i cr e s i s t a n c e m e t h o d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e i n c u b a t i o np e r i o dw a ss h o r t e n e da n dt h ei n c r e a s e dv e l o c i t y o f t h e a y v a l u eg o n eu p w i t h t h e i n c r e a s e d i s o t h e r m a l h e a t i n ga g i n g t e m p e r a t u r e s t h e a y v a l u e w o u l db er a t h e rh i g h e rw i t ht h el e s sh e a t i n gr a t i o ，a n dt h ea g i n gb e g i n n i n ga n df i n i s h i n g t e m p e r a t u r e sw o u l d r i s ew i t ht h er a p i dh e a t i n gr a t i oi nt h ei s o s p e e d - h e a t i n ga g i n gp r o c e s s t h ea g i n gp r e c i p i t a t i o nb e h a v i o ra n dt h es t r e n g t h e n e dm e c h a n i s mo ft h e s et e s t e d c u c r - z r ( - r e ) a l l o y sw e r es t u d i e dc o n t r a s t i v e l y n eh a r d n e s sa n de l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t y v a l u e so ft h es o l u t i o nt r e a t e da l l o y sw o u l dr i s er a p i d l ya tt h eb e g i n n i n go ft h ea g i n gp r o c e s s a n dt h ev a l u e so fh a r d n e s sa n de l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yo ft h ec u - c r - z ra l l o ya r e1 0 6h va n d 7 2 8 i a c sa f t e ra g e da t4 8 0 f o r2h ，r e s p e c t i v e l y t h ec o l dd e f o r m a t i o nc o u l do f f e r a d v a n t a g e sf o r t h ep r e c i p i t a t e dp h a s et on u c l e a t ea n dd e v e l o p , a n dc o u l da c c e l e r a t et h e p r e c i p i t a t e dc o u r s eo ft h es o l u t i o nt r e a t e da l l o y s a f t e rs o l u t e d 一6 0 d e f o r m e d - a g e da t4 8 0 f o r1ht r e a t m e n t t h ev a l u e so ft h ec u - c r - 7 ia l l o yw o u l db ei n c r e 鹤e dt o1 5 4h va n d 8 3 5 i a c s ，r e s p e c t i v e l y w i t ht h et r a c er ea d d i t i o n , t h ev a l u 鹳o ft h eh a r d n e s sa n d t h es o f t e n t e m p e r a t u r ec o u l di n c r e a s e1 5 - 2 0h va n d3 0 - - 4 0 0 r e s p e c t i v e l y , w h i l et h a to ft h ee l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t yw o u l dd r o p p e da b o u t2 - 4 1 a c s t h e r ea r et w oc o u r s e s ，s u c ha sp r e c i p i t a t i o n a n dr e c r y s t a l l i z a t i o n ，w o u l do c c u ri nt h ea g i n gp r o c e s s ，a n dt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h e s et w o c o u p e sw o u l di n f l u e n c et h es t r u c t u r e sa n dp e r f o r m a n c e so ft h ea g e da l l o y s t h ep r e c i p i t a t e d p h a s e sf r o mt b ec um a t r i x s u c ha sc rp h a s e w i t ht h eb c cp a t t e r na n dc r c u 2 ( z r , m g ) p h a s e w i t hf c cp a t t e r n ，c o u l db r i n gt h es y n c r g c t i ce f f e c to ha g i i l gp r e c i p i t a t e ds t r e n g t h e n t h e 1 1 1 西安理工大学博士学位论文 c u c r - z r ( - r e ) a l l o y c o n t a c tw i r ep r o c e s st e c h n i c sw e r ep u tf o r w a r d t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o ft h ec o n t a c tw i r e ，s u c ha st e n s i l es t r e n g t h ，e l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t ya n dy i e l ds t r e n g t hc o u l d a c h i e v e6 0 5 6m p a , 8 0 8 i a c sa n d1 0 2 r e s p e c t i v e l y t h e s ev a l u e se x c e e d e dc o m p l e t e l y t h er e q u i r e m e n t s ( t e n s i l es t r e n g t h - 5 5 0 m p a , e l e c t r i c a lc o n d u c t i v i 哆土8 0 i a c sa n d e l o n g a t i o n 西) f o rt h ec o n t a c tw i r ew h i c hb eu s e di nt h eh i g h - s p e e de l e c t r i c a lr a i l w a y a c c o r d i n gt ot h es t r a i nd i s t r i b u t i o nt e s td a t at h r o u g ht h er e c t a n g l eb e n tb e a mt e s t ，t h ec r a c k c o m p l i a n c em e t h o d ( c c m ) u s i n gl e g e n d r ep o l y n o m i a l sa st h ei n t e r p o l a t i o nw a se m p l o y e d f i r s t l yt om e a s u r et h er e s i d u a ls u e s s e sd i s t r i b u t i o ni nt h ea l l o y sw i r e t h er e s i d u a ls t r e s s e s w o u l dr e l e a s ea n dt h ev a l u e so ft h e s ew o u l db ed r o p p e di n t oal o wl e v e lr a n g ea b o u t 一5 0m p at o 3 0 - _ i p aa f t e rs o l u t e d - a g e d - d e f o r m a t i o nt r e a t m e n t t h ee l e c t r i c a ls l i d i n gw e a rr e s i s t a n c et e s t sw e r ep e r f o r m e do nt h ee l e t r i c a lw e a rr e s i s t a n c e t e s t i n gm a c h i n em a d eb yt h el a b t h ew e a rr e s i s t a n c ep e r f o r m a n c e so ft h et h r e ec u - c r - z r - r e a l l o y sw c l ea l lb e t t e rt h a nt h a to ft h ec u c r - z ra l l o yu n d e rt h es a m ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n , a n dt h a to ft h ec u c r - z r - c ea l l o yw a st h eb e s t t h ee f f e c to fr ee l e m e n t so ni m p r o v i n gt h e w e a rr e s i s t a n c ep r o p e r t yw o u l db ed e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s e de l e c t r i c a lc u r r e n t s u s i n gs e m a n de d s ，t h ea n a l y z e dr e s u l t ss h o w e dt h a tt h es l i d i n gw e a rm e c h a n i s mo ft h ec u - c r - z ra l l o y w e r em a d eu po fa d h e s i v ew e a r , a b r a s i v ew e a ra n df a t i g u ew e a rw i t h o u tc u r r e n ti nw h i c h f a t i g u ew e a rw a s t h ed o m i n a t i n gm e c h a n i s m w h i l ea d h e s i v ew e a r , a b r a s i v ew e a r , f a t i g u ew e a r a n da r ce r o s i o nw o u l db et h ew e a rf o r m su n d e rc u r r e n t s t h er e c r y s t a l l i z a t i o no c c u r r e di nt h e s u b s u r f a c ei nt h et e s t e dp r o c e s s m e a n w h i l e ，at e n s i l es t r e s sw i t hv e r t i c a lo r i e n t a t i o nt ot h e s u r f a c ew a st a k e np l a c e , a n dt h i ss t r e s sw o u l da c c e l e r a t et h ef o r m a t i o na n dp r o p a g a t i o no ft h e c r a c ki nt h es u b s u r f a c e ，t h e nt h ea l l o y sw e a rw o u l db es e r i o u s t h ee l e c t r i c a ls l i d i n gw e a r p h y s i c a la n dm a t h e m a t i c a lm o d e lb e t w e e nc o n t a c tw i r ea n ds l i d eb l o c kb a s e do nt h i sr e s e a r c h w a s p r e s e n t e d k e yw o r d s ：c u c r - z r ( - r e ) a l l o y ；a g i n gp r e c i p i t a t e ；k i n e t i c s ；r e s i d u a ls t r e s sd i s t r i b u t i n g ； e l e c t r i c a ls l i d i n gw e a rm e c h a n i s ma n dm o d e l t h i sw o r kw a ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a lh i g h - t e c h r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp r o g r a m o fc h i n a ( 8 6 3p r o g r a m ，n o 2 0 0 2 a a 3 3 1 1 1 0 ) a n dh e n a np r o v i n c i a l s c i e n c ef u n df o r d i s t i n g u i s h e ds c h o l a r ( n o 0 5 2 1 0 0 1 2 0 0 ) ，t ow h o m i mv e r y g r a t e f u l i v 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名： 学位论文使用授权声明 。7 年弓月7 日 本人：! l 象 在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子舨学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：址导师签名：韭。产；月彳日 第一辛绪论 l 绪论 1 1 引言 铜及铜合金具有较高的强度、耐磨性和优异的塑性，良好的导电性和导热性，在大气、 海水等许多介质中具有良好的耐蚀性，因而在电力、电子、化工、仪表、造船和机械制造 等行业得到广泛的应用。 随着现代工业的迅猛发展，对铜合金的性能也提出了更高的要求。为了适应现代工业 迅速发展的需要，美、英、日等国从2 0 世纪7 0 年代开始，对高强度高导电铜合金进行了 大量的研究和开发工作，其中不少材料已经商品化，并在电阻焊电极、缝焊滚轮、焊炬喷 嘴、电器工程开关触桥、发电机的集成环、电枢转子、电动工具换向器、连铸机结晶器内 衬、集成电路引线框架、电车及电气机车架空导线等方面得到了广泛应用。目前已开发出 高强度高导电铜合金主要有c u - z r 、c u c r 、c u - c d 、c u - f e 、c u - m g 、c u - n b 等系列合金 以及高强度高导电复合材料。这些材料具体性能指标如表1 - 1 所示。 表1 - 1 高强度高导电铜合金及其性能指标【1 川 t a b l e1 - 1m e c h a n i c a la n de l e c t r i c a lp r o p e r t i e so f c o p p e ra l l o y s1 1 _ q 合金成分w t 制各方法 抗拉强 j m p a导电率i a c s c u - 0 3 2 t 热机械处理 4 2 09 2 锫c u - 0 4 z r热机械处理4 5 0 一5 0 08 5 c u - o 3 z p o 4 c r燕机械处理4 5 08 4 铜c u 0 5 z r 热机械处理4 8 28 3 c u - 0 5 z r氮气超音雾化4 6 09 1 c u 0 4 c r - o 4 c d4 5 09 0 铬 c u - o 5 c r热机械处理”争- 5 0 08 5 c u - o 3 c r - o i z r - o 0 5 m g 热机械处理5 1 58 3 铜 c u - o 6 c r - o ，l z r - o0 3 m g热机械处理5 8 68 5 镶c u - 0 i n i 5 5 2 6 5 c u - o 1 n i 0 0 3 s i均匀化+ 热轧8 0 铜 c u - o 1 n i 0 7 s i6 7 0 镁 c u - 0 1 m g - o 4 a g 热机械处理4 7 5 铜 c u - o 7 1 v l g - o 0 5 p 热机械处理 6 3 铁铜 c u - 0 1 f 咖3 p b 热机械处理8 9 铺铜c u - 1 0 c d热机械处理3 0 08 0 c u - 2 5 v 0 1 盯c机械合金化6 5 0 - , 7 2 58 0 复c u - 5 7 v 0 1 c r形变复合8 7 08 0 合 c u - 1 20 v o l ，妇形变复合1 0 0 07 6 材 c u 2 00 w c形变复合3 3 07 7 料 c u 2 0 0 v 0 1 f e 形变复合 1 0 9 0 5 5 c u 1 5 0 v 0 1 n b 形变复合 1 4 0 0 7 5 西安理工大学博士学位论文 1 2 铜合金接触线材料发展概况 1 2 1 电气化铁路的发展历程 随着科学技术的发展、社会的进步，电气化铁路作为一种重要的交通工具越来越为人 们所重视。1 8 7 9 年5 月3 1 日在德国柏林举办的世界贸易博览会上，西门子和哈尔斯克公 司展出了世界上第一条电气化铁路，这条电气化铁路长3 0 0m ，线路呈椭圆形，它牵引3 节敞开式“客车”，最高运行时速达1 3k m 。这条电气化铁路是世界电气化铁路的先驱。 到了2 0 世纪5 0 年代，一些工业发达的国家为了完成急剧增长的运输任务以及与其他 运输业竞争的需要，开始大规模地进行铁路运输业的现代化建设，主要是牵引动力现代化 的建设。因此，电气化铁路的建设速度不断加快，修建的国家逐渐增多。电气化铁路发展 最快的时期是2 0 世纪6 0 - - 7 0 年代，平均每年修建超过5 , 0 0 0k m 。其中，前苏联2 , 0 0 3 a n ， 德国4 8 6 k m ，法国3 6 8 k m ，意大利3 4 1k m ，波兰3 3 5 k m ，日本3 3 2 k m 。南非2 8 5k m ， 印度2 7 2k m s 。到2 0 世纪7 0 年代末，在工业发达的西欧、日本、前苏联以及东欧等国 家，运输繁忙的主要铁路干线都已经实现了电气化，而且基本上已经成网。现在，这些国 家正在集中力量修建时速3 0 0k m 以上的高速电气化铁路。2 0 世纪8 0 年代以后，一些发 展中国家，如中国、印度、南非、朝鲜、土耳其、巴西、智利、摩洛哥、刚果等国家的电 气化铁路发展也很快。我国从1 9 9 6 年至2 0 0 0 年的“九五”期间，建成开通了电气化铁路 5 , 0 3 0 k m ，平均每年建成电气化铁路超过1 , 0 0 0 k m ，如今我国的电气化铁路里程已跃居世 界前列【6 ，刀。 现在世界已进入建设高速电气化铁路的新时期，修建高速电气化铁路的国家越来越 多，列车运行的速度越来越高。截止到2 0 0 1 年底，世界上已经投入运营速度在2 5 0k m h - 1 以上的高速电气化铁路里程已达5 ，1 9 4 5k r n ，预计到2 0 1 5 年世界修建高速电气化铁路的 国家和地区将达到2 3 个，里程将达到3 0 ，0 0 0k r n 。高速电气化铁路已经成为国家社会经 济发展水平和铁路现代化的主要标志之一。 1 2 2 电气化铁路对接触线材料的性能要求 电气化铁路接触网是电气化铁路的重要组成部分，它主要由接触线、载流承力索、不 载流承力索和吊弦( 线) 等部件构成，其中接触线通过与电力机车受电弓滑板直接接触将 电能从牵引变电所传输给机车，是保证电气化铁路正常运营的关键构件【8 】。随着电气化列 车向高速、重载的发展，对接触线的材质及其品种提出了更高的要求，也推动了接触线的 发展。 为实现电气化列车的高速化，必须使列车受电弓沿接触线高速滑行的过程中达到稳定 的受流状态，降低离线率。根据国外高速电气化列车实际运行的经验，当列车的运行速度 超过波动传播速度的7 0 时，接触线会产生上、下振动的横波，当列车运行的速度接近 波动传播速度时，将会产生类似共振的现象，接触导线的振幅增大，发生离线的几率也就 2 第一章绪论 越大。根据空气动力学的相关理论，波动传播速度屹与接触线的架线张力和线密度( 单位 长度的重量) 有关【9 l ，即： 叫厍 v p ( 1 1 ) 式( 1 1 ) 中，k - 接触线的波动传播速度，k m h ；t 接触线的架线张力，n ；p 接触线 的线密度，k g m _ 1 。 因此，高速电气化列车提速的关键就是提高接触导线的波动传播速度，以提高接触网 的稳定性，改善受流质量，这样必须增大接触线的架线张力。其实质是提高接触线材料的 抗拉强度。 由于列车向高速、重载的方向发展，接触线载流量要大，而焦耳热、摩擦热、尤其离 线产生电弧，将使接触线温度升高、机械性能下降、电烧蚀损耗和机械磨耗增加，因而要 求接触线具有较高的抗软化温度，以提高其高温强度和抗蠕变能力，其抗软化温度应大于 5 0 0 。接触线一方面传输电流，另一方面又要承受较大的轴向拉力，因此是一种结构功 能材料。一般说来，电气化铁路接触线应满足以下性能f l o ，1 1 l ： ( 1 ) 机械性能( 抗拉强度) 高，综合拉断力不小于4 0 k n ： ( 2 ) 高导电率，良好的受流性，以减少电能损耗和电磨损； ( 3 ) 耐磨性好，接触导线的使用寿命不小于2 0 年： ( 4 ) 耐热性好，抗软化温度高，软化处理( 3 0 0 保温2h ) 后其常温抗拉强度不小 于初始态的9 0 ； ( 5 ) 抗大气腐蚀性能好，这在空气污染严重、温暖潮湿的沿海及工业区尤为重要； ( 6 ) 线膨胀系数小，以提高接触网的稳定性。 结合国外高速铁路的发展水平，我国正在筹建的京沪高速电气化铁路( 时速3 0 0 , - 3 5 0 k m h 1 ) 的可行性研究中，已对接触线提出了初步具体的要求，见表l - 2 。此要求为我国 接触线的发展指明了目标，同时也代表了世界高性能接触线的发展方向。 表l - 2 高速铁路接触线的主要技术性能指标【1 2 1 t a b i - 2t h em a i nt e e l m i e a lp r o p e r t i e so f c o n t a c tw i r ei nh i g h - s p e e dr a i l w a y 【埘 3 西安理工大学博士学位论文 1 2 3 国内外接触线材料的应用现状 目前，应用最广泛的接触线是铜合金接触线，无论上引法还是连铸连轧法制备的铜合 金接触线，主要利用加工硬化( 变形率一般不小于7 5 ) ，同时辅以固溶强化、析出强化、 过剩相弥散强化、细晶强化等强化手段。采用轧制、锻造和多道拉拔等塑性变形方法造成 大变形量，形成高密度位错、孪晶、空位，阻碍晶粒的滑移，从而使合金得到强化。但是， 这是以损害导电率为代价的。根据m a t t h i e s s c n 假设【l 珂：声子、杂质、溶质原子、空位、 位错和晶界对电子的散射作用的综合效应，使铜合金的导电率降低。 近年来，开发的自生复合( 定向凝固共晶自生复合、塑性变形自生复合) 铜合金接触 导线，通过改变合金的微观组织结构来改善合金的力学性能，通过单向散热控制凝固组织 的方向性；或大塑性变形改变增强相的形态，以及改变增强相的尺寸及其间距、空间排列， 得到纤维增强复合材料。原位自生纤维复合材料其强化相以纤维状或链状沿轴向有序排列 在铜基体中，由于没有横向晶界使铜基体的导电性得到最大的发挥，又可获得强化相的强 化作用，因而具有高强度与高导电率兼顾的特性。 目前，从使用材料来看，电气化铁路接触网用接触导线主要有四大类，分别是：纯铜 接触线( 硬铜接触线) 、铜合金接触线、铝合金接触线和复合接触线。 a 纯铜接触线 纯铜接触导线的导电性优异、耐蚀性好，在我国成都、贵阳等酸雨严重的地区工作未 发现严重腐蚀，因而得到广泛应用。纯铜接触线的抗拉强度一般为3 5 0m p a ，导电率为 9 7 5 队c s 。它是无氧铜杆拉拔成型后使用的接触导线，其强化仅仅依靠加工硬化来实现。 纯铜接触导线强度低，易发生断线，弓网故障高；抗软化温度低，耐热性能差此外，纯 铜接触导线暴露出来的主要缺点是耐磨性差，在高速、重载线路上随着牵引电力机车功率 增大，电气磨耗随之增大，使其寿命大大缩短。因此，在高速、重载线路上，纯铜接触导 线无法满足要求，只适合在速度低于2 0 0k m h i 的低速铁路上使用。 b 铜合金接触线 铜合金接触导线的主要优点是：高温强度高、耐磨性好，而相对导电率下降不大。国 外高速电气化铁路几乎全部采用铜合金接触导线，据相关文献【1 4 1 报道，在铜中加入少量 c d 之后导电率虽下降约1 0 ，但其耐磨性可提高3 0 - 4 0 ；在铜中加入少量s n 之后导 电率虽下降约2 0 ，但寿命可提高4 0 左右。 我国已列入行业标准的铜锡1 2 0 接触线，其抗拉强度为3 6 0 8m p a 。但导电率稍低( 约 为7 0 队c s ) ，根据工程中接触网设计的具体要求，仅可用于时速为2 0 0k m h 4 以下的接 触网中。而法国研制的铜锡1 2 0 接触线，已在时速为3 0 0 - - 5 0 0 k m 1 1 1 的接触网中试用，其 常温抗拉强度和导电率分别可达5 3 7 5m p a 和7 7 6 i a c s 。 我国型号为c t h a l 2 0 的接触线( t b t 2 9 2 1 1 9 9 7 ) ，其性能与德国d i n 4 3 1 4 1 r i s 型银 铜接触线相当，这类线在德国r e 2 5 0 型接触网中已使用，时速可达2 5 0 k m h - l ，适宜于低 4 第一章绪论 速、准高速电气化铁路。我国自行研制的c u - o 0 4 a g - 0 0 7 s n 铜合金接触线抗拉强度和 导电率分别达4 0 9 m p a 和9 0 i a c s ，目前已申请中国专利。 日本开发研制的p h c ，在c u - c r - z r 中添加微量元素m g 、s i 形成多元强化相( o r 相、 m 9 2 s i 、c u 3 z r ) 明显提高了铜合金的耐高温性能，软基体中的硬质点c r 又大大提高了接 触导线的耐磨性能，c u - c r - z r 合金显著的特点是再结晶温度高( 大约为5 0 0 ) ，远高于 纯铜的再结晶温度，因此，其高温强度较好。可见，c u - c r - z r 合金是一种高强高导耐热 型铜合金，在高速电气化铁路接触线中具有极其广泛的应用前景。 国内外铜及铜合金接触线的主要技术性能指标见表1 3 。 表1 3 国内外铜及铜合金接触线的主要技术性能指标嘲 材 舍金成分 最小抗拉强度最小导电率 备注 ，胁舟0 i a c s 料 3 4 89 7 5 c r l 2 0 ( t b f f 2 8 1 0 - 1 9 9 7 ) 纯 3 6 09 71 0 7 - c uf b s 2 3 ) 铜 3 8 0l o o c 1 1 3 0 0 ( c u h a s t m b 4 7 ) 接 3 6 59 8 c u ( n f c 3 4 - 8 0 ) c u 触 3 5 81 0 0 c 3 ( c u ) ( i n f c 3 4 - 1 1 0 ) 线3 5 79 7 5 r i l 2 0 ( c u x d i n 4 3 1 4 1 ) 3 5 0 9 9 5 r 1 0 0 ( c u ) ( d i n l 7 6 6 6 ) 3 5 l 9 7 5c u0 i s 2 1 0 1 ) 铜 c u - 0 1 a g 3 5 39 6 5 c t h a l 2 0 ( t b t 2 8 2 1 - 1 9 9 7 ) 银 c u - o 1 a g 3 6 79 6 5 r i s l 2 0 ( d i n 4 3 1 4 1 ) 接 触 c u - 0 1 2 a g 3 6 99 7 0j l s 3 6 5 1 2 - 3 f 线 铜 a g - s n - c u 3 胡9 0 0 c t h b i 1 2 0 ( t b , t 2 8 2 1 - 1 9 9 7 ) 韫 锡 a g s n - c u 3 7 68 55 c i i 珀2 - 1 2 0 ( t b t 2 8 2 1 - 1 9 9 7 ) 接 触 0 0 4 a g - 0 0 7 s n - c u 4 0 99 m o 中国专利p a t e n t n o 9 3 1 1 7 1 1 3 线 铜 c u - s n3 6 l7 0 0 c t h c l 2 0 ( t b t 2 8 2 1 - 1 9 9 7 ) 锡 接 c u - s n 4 8 54 0 0 a l l o y 4 0 ( a s t m b 9 ) 触 c u - o 3 s n3 6 9 7 0 0j i $ 3 6 5 i - 7 a 线 1 0 7 一c u c d4 3 98 4 01 0 7 - c u c dm s z s ) 铜c u - c d4 5 78 0 0 a l l o y 8 0 ( a s t m b 9 ) 镉c u - 1 眦d4 0 09 00 c 1 6 2 0 0 ( c u - i 0 c d ) 5 西安理工大学博士学位论文 接 c u - c d4 4 09 0 0n f c 3 4 8 0 0 触c u - 0 7 c d4 1 38 6 2d i n 4 3 1 4 l 线c u 1 o c d4 3 48 0 2d r n 4 3 1 4 1 c u - 1 m 矗c d4 2 58 2 6r i k l 0 0f d i n l 7 6 6 6 ) 铜 c u - m g 4 9 06 8 0 r i m l 2 0 ( d i n e n 5 0 1 4 9 ) 镁 接 c u - 0 4 m g 4 5 57 2 o半硬点3 8 5 。c 触 线 c u d ) 6 m g 5 0 0 6 8 0半硬点3 8 5 。c 铜 c u - o 3 i c r - 0 0 7 z r - o 0 2 s i5 5 57 8 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 2 接触导线 铬 c u - 0 3 i c r - 0 0 7 z r - o 0 2 s i6 0 98 0 7 4 m m 圆截面c u - c r - z r 导线 锫 接 麓 c u - o 4 c r - o i 影【卜0 0 6 s i5 6 78 0 1p h c 析出强化铜台金 线 厶铝合金接触线 铝合金接触线是我国开发的一种接触导线，由于我国的铜资源比较匮乏，2 0 世纪7 0 年代曾提出了以铝代铜的口号，开发了a i - m g 、a i - m g - s i f e 和a i - m g - s i r e 三个系列的 铝合金接触线。由于其耐磨性差、强度低、可靠性差、寿命短等缺点，铝合金接触线正逐 渐退出接触网，目前在接触网中的占有率不足4 ，且仍里萎缩之势。 d 复合金属接触线 ( 1 ) 仿波兰上、下复合结构的钢铝接触线( 3 l c a - i o o 2 1 5 由于钢铝通过压力加工机械包覆结合在一起，结合强度低难免会分离；钢铝二相因电 化学势不同而存在电化学腐蚀；钢铝接触导线抗盐雾、大气腐蚀性能差，不宣在大气腐蚀 严重、多雾潮湿的沿海地区使用。此外，接头多、易断裂，接触网可靠性差；由于铝导电 率低，为保证较大的载流量，需增大导线的截面积，从而使导线对风、冰、雪的负载增大， 目前逐渐被c g l n 2 5 0 型铝包钢接触线所取代。 ( 2 ) 铝包钢接触线c g l n - 2 5 0 我国改型生产的c g l n - 2 5 0 铝包钢接触线和日本研制开发的1 a 1 9 6