论文部分内容阅读
[摘 要]随着我国高速铁路的迅速发展，铁路建设扩大到东北、西北等极寒地带，极寒环境下接触网钢结构零件选材研究成为一个重要的行业课题。通过理论研究、试验验证并结合接触网零件在东北等极寒环境下的具体实施情况证明：铜合金、铝合金、不锈钢、低合金高强度结构钢等接触网常用材料具有良好的耐低温性能，可以适应国内各种严寒环境，确保牵引供电接触网设备安全可靠运行。
[关键词]极寒环境；接触网零件材质；低温性能；可靠性
中图分类号：U225 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2015）18-0248-02
0 引言
极寒环境对接触网零件的结构和材料选型影响很大，特别是体心立方金属在低温下出现冷脆性（如一般线路钢结构件采用的Q235材质），冲击韧性降低，导致零件的机械性能大幅度降低，给线路安全运营带来隐患。
铁路总公司于2013年11月1日下发了【2013】135号文《寒温及寒冷地区铁路牵引供电和电力系统若干问题指导意见》，对接触网零件在寒温及寒冷地区的运用提出了一系列的技术要求。本研究结合文件要求，对接触网零件常用的铜合金、铝合金、不锈钢、Q235碳素结构钢、Q345低合金结构钢材质进行研究，并按135号文进行试验验证，结果表明铜合金、铝合金、不锈钢在文件规定的最低温度范围内机械性能不受温度影响，具有良好的低温性能，可以适应国内各种严寒环境，确保牵引供电接触网设备安全可靠运行。
1 接触网零件在低温环境下机械性能及可靠性研究分析
通过查阅《钢结构设计规范》、《金属材料低温性能手册》等相关标准及文献，低温对材料性能的影响主要表现在：体心立方金属随温度的降低屈服强度增加韧度降低，当温度降低到材料的韧脆临界转变温度时，冲击吸收功能下降，材料由韧性状态变为脆性状态，表现出低温脆性导致产品的机械性能降低；而对于面心立方金属则不存在以上情况，金属材料性能不受温度的影响。
根据以上理论研究结构，接触网零件一般采用的主要材质为：铜合金、铝合金、不锈钢、碳素结构钢、低合金高强度结构钢，以上材料的低温性能分析如下：
1、铜合金、铝合金以及不锈钢均是面心立方金属，低温环境下不会出现低温脆性，低温对材料的机械性能不造成影响，这些材料制造的接触网零件可以不考虑低温环境的条件要求。
2、碳素结构钢、低合金高强度结构钢均是体心立方金属，在低温下存在低温脆性，需要对其低温性能进行进一步验证。
2 接触网零件及常用材料低温性能验证
1、对采用面心立方金属（铜合金、铝合金及不锈钢）的接触网零件按铁总【2013】135号文的相关要求进行低温试验，所有产品均检验合格并获得部检中心报告。
2、对常用的Q235B碳素结构钢和Q345B低合金高强度结构钢进行低温冲击试验，试验选取市场上常用的Q235B和Q345B材质进行对比分析，结果如表1、表2所示：
试验结果表明：Q235碳素结构钢在-20℃及以下冲击韧性低（标准要求不小于27J），出现低温脆性。Q345低合金高强度结构钢在-40℃的极寒温度下任然有比较好的冲击韧性（远高于标准要求的34J），无低溫脆性的情况，可以作为接触网钢结构件的一个备选材料做进一步研究。
3 Q345低合金高强度结构钢低温性能研究
根据GB/T1591-2008《低合金高强度结构钢》的要求，Q345D和Q345E有-40℃的低温性能保证，且综合性能良好，非常适宜于低温环境下使用。但是，由于接触网零件特别是肩架类零件种类繁多，需要的型材种类也非常多且大部分用量较少，而Q345D和Q345E在市场上的型材非常单一无法满足日常选型要求，Q345D和Q345E在接触网零件的运用遇到巨大难题。
市场上低合金高强度结构钢运用最为广泛的是Q345B材质，型材规格齐全，基本满足接触网零件的选型需要，若Q345B材质能够满足低温环境下的相关技术要求，则可以解决这一难题。
在对Q345B原材料进行低温冲击试验过程中发现，Q345B在-40℃的极寒条件下冲击功达122J以上，远远大于标准要求的34J。针对以上结果，我们对市场购买的不同批次Q345B原材料做了成分分析，结果如表3所示：
试验结果：抽样的10件原材料中，有9件试样试验结果满足Q345E成分要求，有1件满足Q345D成分要求。
试验结果说明：针对以上结果，原材料厂家表示，低合金高强度结构钢主要通过杂质的含量来进行级别划分，由于现在冶炼工艺不断提高，将原材料杂质含量控制在Q345E要求的最好范围已经不是什么难题，同时，综合考虑冶炼和管理成本，厂家采取提高产品质量，整合管理以高带低的方式可以大量节省管理成本，获得最大的利益，因此出现了Q345B满足
Q345D甚至Q345E材质要求的情况。
因此，极寒环境下的接触网钢结构件可以选择市场运用广泛的Q345B低合金高强度结构钢，但钢材的各项化学成分都必须满足Q345D的要求（Q345D材质具有-40℃低温冲击韧性保证）。
4 Q345B低合金高强度结构钢制造工艺研究
接触网钢结构件按加工方式主要可以分为两类：模锻件、焊接件。
a.Q345B模锻件制造工艺研究：
相关文献表明：Q345B锻造过程中容易出现偏析而出现带状组织，会影响材料的低温性能。针对以上情况，我们做了相关实验，对模锻件的低温冲击韧性和金相进行了试验，结构如下：
1）低温冲击试验：对未经处理的模锻件取样进行低温冲击试验，在20℃、0℃、-20摄氏度下，试样的最小冲击功均在110J以上；在-40℃时，试样的最小冲击功仅为13J，远低于标准要求的34J，未经处理的Q345B模锻件出现低温脆性，试验结构如表4所示。
2）金相试验：对未经处理的模锻件取样进行金相试验，结果如图1所示：
如金相照片所示，Q345B材料经锻造加工后，出现严重的带状组织，导致Q345B模锻件在极寒环境下出现低温脆性。因此要提高Q345B模锻件低温性能，避免低温脆性，必须对Q345B模锻件进行合理的热处理来消除带状组织来提高产品的低温性能。
Q345B模锻件热处理工艺研究：经过热处理工艺研究，Q345B模锻件采用正火处理可以很好的消除带状组织，有效提高低温冲击韧性，避免低温脆性。采用正火处理的Q345B模锻件低温冲击及金相试验结果如表5及图2所示：
b.Q345B焊接制造工艺研究：
按铁路总公司【2013】135号文的要求“焊接类钢结构应进行焊缝低温检测试验”。
Q345B低合金高强度结构钢具有良好的焊接性能，但是由于锰含量较大，若不采取适当的预热措施或者合适的焊接工艺，就会产生冷裂问题。
通过查阅大量的资料并进行了大量工艺研究试验，从焊接环境、焊接工艺控制、焊接方法、焊丝选择等各方面确定了严格的Q345B焊接工艺要求指导生产，按工艺要求加工出的焊缝通过拉伸试验、侧弯试验、低温冲击试验、硬度试验的验证，各项指标完全满足铁总135号文的要求，试验数据如表6所示：
5 产品性能验证
对所有接触网零件按铁路总公司【2013】135号文的要求，进行低温试验，所有产品均在-55℃计划环境下通过试验验证。
6 结论
通过对极寒环境下接触网零件的研究，得出以下结论：
a.铝合金、铜合金、不锈钢等面心立方金属具有优良的低温性能，可以在任何自然极寒环境下正常使用。
b.满足Q345D化学成分要求的Q345B型材具有优良的低温性能，焊接件及模锻件需经过严格的加工工艺控制，方可在-55℃以上的极寒环境下正常使用。
参考文献
[1] 白端.关于低温金属管道焊缝检验的探讨[J].炼油技术与工程，2011，06：26-29.
[关键词]极寒环境；接触网零件材质；低温性能；可靠性
中图分类号：U225 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2015）18-0248-02
0 引言
极寒环境对接触网零件的结构和材料选型影响很大，特别是体心立方金属在低温下出现冷脆性（如一般线路钢结构件采用的Q235材质），冲击韧性降低，导致零件的机械性能大幅度降低，给线路安全运营带来隐患。
铁路总公司于2013年11月1日下发了【2013】135号文《寒温及寒冷地区铁路牵引供电和电力系统若干问题指导意见》，对接触网零件在寒温及寒冷地区的运用提出了一系列的技术要求。本研究结合文件要求，对接触网零件常用的铜合金、铝合金、不锈钢、Q235碳素结构钢、Q345低合金结构钢材质进行研究，并按135号文进行试验验证，结果表明铜合金、铝合金、不锈钢在文件规定的最低温度范围内机械性能不受温度影响，具有良好的低温性能，可以适应国内各种严寒环境，确保牵引供电接触网设备安全可靠运行。
1 接触网零件在低温环境下机械性能及可靠性研究分析
通过查阅《钢结构设计规范》、《金属材料低温性能手册》等相关标准及文献，低温对材料性能的影响主要表现在：体心立方金属随温度的降低屈服强度增加韧度降低，当温度降低到材料的韧脆临界转变温度时，冲击吸收功能下降，材料由韧性状态变为脆性状态，表现出低温脆性导致产品的机械性能降低；而对于面心立方金属则不存在以上情况，金属材料性能不受温度的影响。
根据以上理论研究结构，接触网零件一般采用的主要材质为：铜合金、铝合金、不锈钢、碳素结构钢、低合金高强度结构钢，以上材料的低温性能分析如下：
1、铜合金、铝合金以及不锈钢均是面心立方金属，低温环境下不会出现低温脆性，低温对材料的机械性能不造成影响，这些材料制造的接触网零件可以不考虑低温环境的条件要求。
2、碳素结构钢、低合金高强度结构钢均是体心立方金属，在低温下存在低温脆性，需要对其低温性能进行进一步验证。
2 接触网零件及常用材料低温性能验证
1、对采用面心立方金属（铜合金、铝合金及不锈钢）的接触网零件按铁总【2013】135号文的相关要求进行低温试验，所有产品均检验合格并获得部检中心报告。
2、对常用的Q235B碳素结构钢和Q345B低合金高强度结构钢进行低温冲击试验，试验选取市场上常用的Q235B和Q345B材质进行对比分析，结果如表1、表2所示：
试验结果表明：Q235碳素结构钢在-20℃及以下冲击韧性低（标准要求不小于27J），出现低温脆性。Q345低合金高强度结构钢在-40℃的极寒温度下任然有比较好的冲击韧性（远高于标准要求的34J），无低溫脆性的情况，可以作为接触网钢结构件的一个备选材料做进一步研究。
3 Q345低合金高强度结构钢低温性能研究
根据GB/T1591-2008《低合金高强度结构钢》的要求，Q345D和Q345E有-40℃的低温性能保证，且综合性能良好，非常适宜于低温环境下使用。但是，由于接触网零件特别是肩架类零件种类繁多，需要的型材种类也非常多且大部分用量较少，而Q345D和Q345E在市场上的型材非常单一无法满足日常选型要求，Q345D和Q345E在接触网零件的运用遇到巨大难题。
市场上低合金高强度结构钢运用最为广泛的是Q345B材质，型材规格齐全，基本满足接触网零件的选型需要，若Q345B材质能够满足低温环境下的相关技术要求，则可以解决这一难题。
在对Q345B原材料进行低温冲击试验过程中发现，Q345B在-40℃的极寒条件下冲击功达122J以上，远远大于标准要求的34J。针对以上结果，我们对市场购买的不同批次Q345B原材料做了成分分析，结果如表3所示：
试验结果：抽样的10件原材料中，有9件试样试验结果满足Q345E成分要求，有1件满足Q345D成分要求。
试验结果说明：针对以上结果，原材料厂家表示，低合金高强度结构钢主要通过杂质的含量来进行级别划分，由于现在冶炼工艺不断提高，将原材料杂质含量控制在Q345E要求的最好范围已经不是什么难题，同时，综合考虑冶炼和管理成本，厂家采取提高产品质量，整合管理以高带低的方式可以大量节省管理成本，获得最大的利益，因此出现了Q345B满足
Q345D甚至Q345E材质要求的情况。
因此，极寒环境下的接触网钢结构件可以选择市场运用广泛的Q345B低合金高强度结构钢，但钢材的各项化学成分都必须满足Q345D的要求（Q345D材质具有-40℃低温冲击韧性保证）。
4 Q345B低合金高强度结构钢制造工艺研究
接触网钢结构件按加工方式主要可以分为两类：模锻件、焊接件。
a.Q345B模锻件制造工艺研究：
相关文献表明：Q345B锻造过程中容易出现偏析而出现带状组织，会影响材料的低温性能。针对以上情况，我们做了相关实验，对模锻件的低温冲击韧性和金相进行了试验，结构如下：
1）低温冲击试验：对未经处理的模锻件取样进行低温冲击试验，在20℃、0℃、-20摄氏度下，试样的最小冲击功均在110J以上；在-40℃时，试样的最小冲击功仅为13J，远低于标准要求的34J，未经处理的Q345B模锻件出现低温脆性，试验结构如表4所示。
2）金相试验：对未经处理的模锻件取样进行金相试验，结果如图1所示：
如金相照片所示，Q345B材料经锻造加工后，出现严重的带状组织，导致Q345B模锻件在极寒环境下出现低温脆性。因此要提高Q345B模锻件低温性能，避免低温脆性，必须对Q345B模锻件进行合理的热处理来消除带状组织来提高产品的低温性能。
Q345B模锻件热处理工艺研究：经过热处理工艺研究，Q345B模锻件采用正火处理可以很好的消除带状组织，有效提高低温冲击韧性，避免低温脆性。采用正火处理的Q345B模锻件低温冲击及金相试验结果如表5及图2所示：
b.Q345B焊接制造工艺研究：
按铁路总公司【2013】135号文的要求“焊接类钢结构应进行焊缝低温检测试验”。
Q345B低合金高强度结构钢具有良好的焊接性能，但是由于锰含量较大，若不采取适当的预热措施或者合适的焊接工艺，就会产生冷裂问题。
通过查阅大量的资料并进行了大量工艺研究试验，从焊接环境、焊接工艺控制、焊接方法、焊丝选择等各方面确定了严格的Q345B焊接工艺要求指导生产，按工艺要求加工出的焊缝通过拉伸试验、侧弯试验、低温冲击试验、硬度试验的验证，各项指标完全满足铁总135号文的要求，试验数据如表6所示：
5 产品性能验证
对所有接触网零件按铁路总公司【2013】135号文的要求，进行低温试验，所有产品均在-55℃计划环境下通过试验验证。
6 结论
通过对极寒环境下接触网零件的研究，得出以下结论：
a.铝合金、铜合金、不锈钢等面心立方金属具有优良的低温性能，可以在任何自然极寒环境下正常使用。
b.满足Q345D化学成分要求的Q345B型材具有优良的低温性能，焊接件及模锻件需经过严格的加工工艺控制，方可在-55℃以上的极寒环境下正常使用。
参考文献
[1] 白端.关于低温金属管道焊缝检验的探讨[J].炼油技术与工程，2011，06：26-29.