一種地鐵供電網(wǎng)絡(luò)懸吊結(jié)構(gòu)件的失效分析方法及應(yīng)用
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種地鐵供電網(wǎng)絡(luò)懸吊結(jié)構(gòu)件的失效分析方法及應(yīng)用，包括如下步驟：在已經(jīng)斷裂失效的懸吊結(jié)構(gòu)件的斷口處取樣(包含斷裂面)，將樣品清潔后，首先利用體視顯微鏡進(jìn)行斷口及其周?chē)暮暧^檢查。利用掃描電子顯微鏡對(duì)斷口進(jìn)行微觀形貌觀察，然后利用電子探針X射線顯微分析儀對(duì)斷口表面進(jìn)行元素定性分析，最后利用電子探針X射線顯微分析儀對(duì)樣品進(jìn)行元素相對(duì)分布分析，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果分析導(dǎo)致懸吊結(jié)構(gòu)件失效的原因。將體視顯微鏡、掃描電子顯微鏡與電子探針X射線顯微分析儀等設(shè)備結(jié)合起來(lái)鑒定懸吊結(jié)構(gòu)的失效原因，各自取長(zhǎng)補(bǔ)短使整個(gè)分析過(guò)程更有理有據(jù)，即準(zhǔn)確直觀，又方便易行，對(duì)雜質(zhì)元素的分析與定位也更精確。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種地鐵供電網(wǎng)絡(luò)懸吊結(jié)構(gòu)件的失效分析方法及應(yīng)用
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明具體涉及一種地鐵供電網(wǎng)絡(luò)懸吊結(jié)構(gòu)件的失效分析方法及應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與進(jìn)步，城市軌道交通在社會(huì)發(fā)展和市民日常生活中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。目前全國(guó)已經(jīng)建有近百條地鐵線，遍布二十多個(gè)大、中城市。維持地鐵正常運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一是地鐵的供電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其中，接觸網(wǎng)是供電系統(tǒng)中的重要組成部分，是列車(chē)高速運(yùn)行的動(dòng)力之源。懸吊結(jié)構(gòu)件是整個(gè)接觸網(wǎng)的支架，是供電線、承力索間振動(dòng)和力的傳遞者，是接觸網(wǎng)安全運(yùn)行的關(guān)鍵零部件。懸吊系統(tǒng)一旦出現(xiàn)問(wèn)題就有可能導(dǎo)致整個(gè)供電系統(tǒng)的癱瘓，從而會(huì)使一條或者多條地鐵線出現(xiàn)故障，而且還會(huì)危及乘客的生命安全，造成不可估量的損失。
[0003]近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)地鐵的不斷提速，懸吊結(jié)構(gòu)件斷裂的事故時(shí)有發(fā)生。接觸網(wǎng)在處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，懸吊結(jié)構(gòu)件承受恒定負(fù)載引起的拉伸載荷，處于拉伸狀態(tài)，當(dāng)?shù)罔F通過(guò)時(shí)，懸吊結(jié)構(gòu)則處于松弛狀態(tài)。地鐵通過(guò)后，在接觸線恒定負(fù)載的作用下懸吊結(jié)構(gòu)回到拉伸狀態(tài)。每一次地鐵通過(guò)，懸吊結(jié)構(gòu)完成一次周期振動(dòng)。周而復(fù)始，尤其在地鐵提速后，懸吊結(jié)構(gòu)很容易產(chǎn)生疲勞斷裂的現(xiàn)象。而且多發(fā)生在地鐵通過(guò)時(shí)，所以對(duì)地鐵的高速運(yùn)行有著極大的威脅，一旦斷裂對(duì)乘客生命及財(cái)產(chǎn)安全都有著不可估量的危害。
[0004]因此，分析地鐵供電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)懸吊結(jié)構(gòu)的失效原因，提高懸吊結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)質(zhì)量，延長(zhǎng)其使用壽命對(duì)現(xiàn)代地鐵交通運(yùn)輸有著非常重要的意義。目前，針對(duì)懸吊結(jié)構(gòu)件疲勞斷裂現(xiàn)象沒(méi)有系統(tǒng)的檢測(cè)方法，這也使得在預(yù)防懸吊結(jié)構(gòu)失效，生產(chǎn)高質(zhì)量的懸吊結(jié)構(gòu)件方面一直沒(méi)有突破性進(jìn)展。
[0005]尤其是懸吊結(jié)構(gòu)在正常工況下會(huì)暴露于地上或地下的復(fù)雜環(huán)境中，例如，如果靠近化工廠區(qū)，空氣或地下水中可能存在腐蝕性元素。而腐蝕性元素與疲勞共同作用于懸吊結(jié)構(gòu)，會(huì)使得其斷裂機(jī)制更加復(fù)雜，診斷工作也更困難。目前，針對(duì)該類(lèi)復(fù)雜情況的失效分析方法建立還不夠完善。雖然進(jìn)行失效分析的方法很多，但是都不能對(duì)該類(lèi)失效進(jìn)行準(zhǔn)確全面的分析。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種地鐵供電網(wǎng)絡(luò)懸吊結(jié)構(gòu)件的失效分析方法及應(yīng)用，該方法簡(jiǎn)單、易于操作，且系統(tǒng)全面，可以全面分析懸吊結(jié)構(gòu)件疲勞斷裂的原因，從而可以更有效地預(yù)防懸吊結(jié)構(gòu)件的疲勞斷裂以及生產(chǎn)出更高質(zhì)量的懸吊結(jié)構(gòu)件。
[0007]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案為:
[0008]—種地鐵供電網(wǎng)絡(luò)懸吊結(jié)構(gòu)件的失效分析方法，包括如下步驟:在已經(jīng)失效的懸吊結(jié)構(gòu)件的斷口處取樣，樣品應(yīng)包含完整斷裂面，將樣品清潔后，首先利用體視顯微鏡進(jìn)行斷口及其周?chē)暮暧^檢查，然后利用掃描電子顯微鏡(Scanning electron microscope ,SEM)對(duì)斷口進(jìn)行微觀形貌觀察，再利用電子探針X射線顯微分析儀(Electro probe X-raymicroanalysis，EPMA)對(duì)斷口表面進(jìn)行元素定性分析，最后利用電子探針X射線顯微分析儀對(duì)樣品進(jìn)行元素相對(duì)分布分析，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果分析導(dǎo)致懸吊結(jié)構(gòu)件失效的原因。
[0009]優(yōu)選的，在取樣之前，先將失效懸吊結(jié)構(gòu)件的破損部分全部收集起來(lái)，進(jìn)行宏觀觀察。全部收集起來(lái)是指，將所有部件拼湊起來(lái)應(yīng)為一完整的懸吊結(jié)構(gòu)件。進(jìn)行宏觀觀察是為了采集失效懸吊結(jié)構(gòu)件整體的失效信息，有明顯宏觀特征的部分可以為懸吊結(jié)構(gòu)件的失效分析指明方向，避免不必要的麻煩和彎路，減少錯(cuò)誤分析的可能性。
[0010]優(yōu)選的，用體視顯微鏡對(duì)失效樣品的宏觀特征進(jìn)行檢查，分別使用0.5 X和1.6 X物鏡，在10?100倍下獲得斷口表面及其周?chē)拇缶吧罟鈱W(xué)圖像。
[0011]優(yōu)選的，所截取的進(jìn)行微觀檢查的樣品直徑不超過(guò)5cm，高度為1.5-3cmo
[0012]直徑不超過(guò)5cm是因?yàn)閽呙桦婄R及電子探針X射線顯微分析儀的樣品倉(cāng)的最大容量問(wèn)題。高度限定為1.5-3cm是由于掃描電鏡及電子探針X射線顯微分析儀的樣品倉(cāng)最大可容下的高度為3cm，限定取樣的最低高度不小于1.5cm是為了取樣的全面性，不至于取樣太薄而導(dǎo)致樣品的二次破壞和不完整性。
[0013]優(yōu)選的，使用分析純的無(wú)水乙醇對(duì)樣品進(jìn)行超聲清洗。無(wú)水乙醇的純度為99.99%。
[0014]優(yōu)選的，利用掃描電子顯微鏡進(jìn)行形貌觀察時(shí)，從低放大倍數(shù)變換到高放大倍數(shù)進(jìn)行觀察，其中斷口微觀特征觀察的放大倍數(shù)為2000?3500倍。掃描電子顯微鏡的工作條件為:加速電壓:5?20KV;工作距離:6?1mm;工作電流:100?880pA。該參數(shù)設(shè)置可以保證在低倍及高倍下針對(duì)懸吊結(jié)構(gòu)微觀圖像成像的質(zhì)量。
[0015]優(yōu)選的，掃描電子顯微鏡進(jìn)行微觀形貌觀察時(shí)，掃描速度使用最慢掃描速度。掃描速度是指采集圖像的快慢，一般來(lái)說(shuō)掃描速度越慢采集到的圖像質(zhì)量越好。
[0016]優(yōu)選的，電子探針X射線顯微分析儀進(jìn)行元素分析的工作條件為:燈絲電流:28?40μΑ;加速電壓:10?25KV;當(dāng)元素定性分析時(shí)，電子束流為10nA,束斑直徑:1?30μπι;當(dāng)對(duì)元素相對(duì)分布進(jìn)行分析時(shí)，電子束流為50ηΑ，束斑直徑:Ιμπι，步長(zhǎng):2?ΙΟμπι。
[0017]上述失效分析方法在由于腐蝕性元素的滲入引起的金屬結(jié)構(gòu)件的疲勞失效分析中的應(yīng)用，尤其在地鐵供電網(wǎng)絡(luò)懸吊結(jié)構(gòu)件的失效分析中的應(yīng)用。
[0018]本發(fā)明的有益效果為:
[0019]本發(fā)明的分析方法操作簡(jiǎn)單，將體視顯微鏡的大景深光學(xué)成像功能、掃描電子顯微鏡強(qiáng)大的微觀成像功能與電子探針X射線顯微分析儀精確的元素分析功能結(jié)合起來(lái)分析結(jié)構(gòu)件的失效原因，更系統(tǒng)、更全面。掃描電子顯微鏡可以在高倍數(shù)下全方位觀察斷口的表面形貌，但是由于技術(shù)的局限性，其配備的能量色散X射線譜(Energy dispersive X-rayspectroscopy，EDS)元素分析效果并不理想。電子探針X射線顯微分析儀在高倍數(shù)下觀察斷口形貌時(shí)雖比不上掃描電子顯微鏡成像清晰，但其在元素分析方面卻非常精準(zhǔn)，比掃描電鏡中EDS元素分析的準(zhǔn)確度至少高一個(gè)數(shù)量級(jí)，并可以精確地得到各種元素在觀察區(qū)的相對(duì)分布。因此，本發(fā)明將體視顯微鏡、掃描電子顯微鏡與電子探針X射線顯微分析儀等檢測(cè)設(shè)備結(jié)合起來(lái)檢測(cè)懸吊結(jié)構(gòu)的失效原因，各自取長(zhǎng)補(bǔ)短使整個(gè)分析過(guò)程更有理、有據(jù)，即準(zhǔn)確直觀，又方便易行，對(duì)雜質(zhì)元素的分析與定位也更精確。
【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1為失效不銹鋼懸吊結(jié)構(gòu)件的宏觀形貌；
[0021 ]圖2為失效不銹鋼懸吊結(jié)構(gòu)件斷口周?chē)暮暧^形貌；
[0022]圖3為體視顯微鏡下失效不銹鋼懸吊結(jié)構(gòu)件斷口斷面的光學(xué)圖像；
[0023]圖4為掃描電子顯微鏡低倍下觀察到的樣品斷面形貌；
[0024]圖5為掃描電子顯微鏡高倍下觀察到的斷口擴(kuò)展區(qū)的微觀形貌；
[0025]圖6為掃描電子顯微鏡高倍下觀察到的斷口瞬斷區(qū)的微觀形貌；
[0026]圖7為電子探針X射線顯微分析儀得到的起裂區(qū)元素分布圖(a)Fe、(b)0、(c)Cl。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面將結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0028]I)本發(fā)明提供了在實(shí)踐中損壞的不銹鋼懸吊結(jié)構(gòu)件，如圖1所示。該懸吊結(jié)構(gòu)件為某地鐵地下段接觸網(wǎng)滑動(dòng)懸吊結(jié)構(gòu)，在使用過(guò)程中發(fā)生斷裂。由宏觀檢查可知，懸吊結(jié)構(gòu)件的斷裂位置均靠近其被線夾螺栓夾持的部位(即靠近懸吊結(jié)構(gòu)件經(jīng)加工形成的耳狀環(huán))。
[0029]2)將該損壞的懸吊結(jié)構(gòu)件的所有破碎的碎片進(jìn)行收集，并觀察其宏觀形貌。在較強(qiáng)的光線下對(duì)失效的懸吊結(jié)構(gòu)件斷口表面和側(cè)面用肉眼和體視顯微鏡進(jìn)行了仔細(xì)檢查。檢查結(jié)果表明，與經(jīng)使用但未斷裂的結(jié)構(gòu)件相比，發(fā)生斷裂的結(jié)構(gòu)件在斷口附近存在明顯的腐蝕痕跡(圖2)。觀察斷口斷面發(fā)現(xiàn)，斷口表面平齊，斷面與不銹鋼絲軸線方向垂直，無(wú)明顯塑性變形，呈脆性斷裂形貌(圖3)。
[0030]3)將損壞的懸吊結(jié)構(gòu)件斷口處材料進(jìn)行取樣，由于此結(jié)構(gòu)件直徑僅為3mm，故將整個(gè)斷面全部取樣，高度為1.5cm，并保證底面平整。
[0031]4)將所取樣品放入10mL燒杯中，并加入無(wú)水乙醇，使液面沒(méi)過(guò)樣品5mm為最佳，并將燒杯放入超聲波清洗器中，進(jìn)行超聲清洗，清洗時(shí)間為15-20min。
[0032]5)將清洗過(guò)的樣品，放入提供的掃描電子顯微鏡下進(jìn)行觀察。圖4為低倍下觀察到的樣品斷面形貌，斷口的低倍放大形貌呈現(xiàn)出交變載荷導(dǎo)致的疲勞破壞特征，可以清晰分辨裂紋的起始源區(qū)及擴(kuò)展區(qū)。起裂區(qū)處存在一個(gè)較大的腐蝕坑。將裂紋擴(kuò)展區(qū)在高倍下進(jìn)行觀察，如圖5所示，圖中箭頭所指示的條帶就是不銹鋼材料典型的疲勞斷裂微觀形貌。疲勞輝紋是材料疲勞斷裂的微觀特征花樣，是確定工件疲勞破壞性質(zhì)的重要證據(jù)。斷口的微觀檢查確定了該不銹鋼懸吊結(jié)構(gòu)是因疲勞裂紋擴(kuò)展、累積損傷破壞，而不是一次性破壞。斷口的瞬斷區(qū)是整個(gè)斷口最后的斷裂區(qū)域，是疲勞斷裂的最后階段。該區(qū)域是由于開(kāi)裂結(jié)構(gòu)件的未斷開(kāi)的截面已經(jīng)不能承受最大荷載而發(fā)生的斷裂，因此呈現(xiàn)韌窩狀微觀形貌(見(jiàn)圖6)。斷口上這個(gè)區(qū)域較小，約占整個(gè)斷裂面的2?3%，這說(shuō)明了該疲勞失效過(guò)程中，交變應(yīng)力幅不大。
[0033]6)利用電子探針X射線顯微分析儀對(duì)起裂區(qū)進(jìn)行單點(diǎn)元素定性分析。由分析結(jié)果可知，除不銹鋼材料中含有的常規(guī)元素之外，還檢出了較高含量的氯元素(Cl)。氯是使鋼鐵產(chǎn)生點(diǎn)腐蝕特別重要的元素。在一定環(huán)境條件下，局部富集一定濃度的氯(氯離子濃度達(dá)到幾十個(gè)ppm以上)就可以使大多數(shù)碳鋼，甚至包括奧氏體不銹鋼產(chǎn)生點(diǎn)腐蝕。
[0034]7)為了進(jìn)一步確定腐蝕性Cl元素在斷口起裂區(qū)的分布，對(duì)起裂區(qū)腐蝕坑周?chē)M(jìn)行了元素分布面掃描分析，結(jié)果見(jiàn)圖7所示，該圖中，顏色越紅越密集表示元素含量越高，腐蝕區(qū)O元素分布均勻且含量普遍很高，腐蝕坑以外的區(qū)域O元素含量較少，F(xiàn)e元素含量最高的區(qū)域?yàn)楦g坑以外的區(qū)域，而整個(gè)腐蝕坑表面檢測(cè)到相對(duì)較少含量的Fe元素，Cl元素主要分布在腐蝕坑所在區(qū)域，從吊弦外表面一直延伸至腐蝕坑底。各元素在起裂區(qū)的分布，含量高低都一目了然，腐蝕區(qū)內(nèi)存在有大量的Cl元素。
[00；35]由體視顯微鏡宏觀檢查、掃描電子顯微鏡微觀形貌分析以及電子探針X射線顯微分析儀元素分析可知，疲勞裂紋正是由起裂區(qū)的腐蝕坑處開(kāi)始形成、擴(kuò)展，并導(dǎo)致該懸吊結(jié)構(gòu)件最終斷裂。而腐蝕坑出現(xiàn)的主要原因?yàn)镃l元素的富集。本發(fā)明將掃描電子顯微鏡的形貌分析與電子探針X射線顯微分析儀元素分析結(jié)合起來(lái)，通過(guò)低倍下的形貌觀察，初步判斷了吊弦的失效形式;高倍下觀察裂紋擴(kuò)展區(qū)的微觀形貌，進(jìn)一步確認(rèn)吊弦的失效機(jī)理為疲勞斷裂。利用電子探針X射線顯微分析儀進(jìn)行元素定性分析，檢測(cè)出起裂區(qū)的腐蝕坑存在Cl元素，初步判斷為Cl元素富集造成的點(diǎn)腐蝕形成的腐蝕坑。再利用電子探針X射線顯微分析儀對(duì)整個(gè)起裂區(qū)的元素分布進(jìn)行分析，由于電子探針X射線顯微分析儀波譜元素分析的精準(zhǔn)度比其他技術(shù)(能量色散X射線譜等)至少高一個(gè)數(shù)量級(jí)，所以電子探針X射線顯微分析儀所給的結(jié)果可以作為判斷的準(zhǔn)確依據(jù)。在元素分析分布圖中發(fā)現(xiàn)，大量Cl元素分布在起裂區(qū)，導(dǎo)致腐蝕坑的形成。對(duì)Cl元素的分布及含量的判斷是本次失效事故原因判斷的關(guān)鍵。
[0036]上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行了描述，但并非對(duì)發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種地鐵供電網(wǎng)絡(luò)懸吊結(jié)構(gòu)件的失效分析方法，其特征在于:包括如下步驟:在已經(jīng)失效的懸吊結(jié)構(gòu)件的斷口處取樣，樣品應(yīng)包含完整斷裂面，將樣品清潔后，首先利用體視顯微鏡進(jìn)行斷口及其周?chē)暮暧^檢查，然后利用掃描電子顯微鏡對(duì)斷口進(jìn)行微觀形貌觀察，再利用電子探針X射線顯微分析儀對(duì)斷口表面進(jìn)行元素定性分析，最后利用電子探針X射線顯微分析儀對(duì)樣品進(jìn)行元素相對(duì)分布分析，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果分析導(dǎo)致懸吊結(jié)構(gòu)件失效的原因。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的失效分析方法，其特征在于:在取樣之前，先將失效吊弦的破損部分全部收集起來(lái)，進(jìn)行宏觀觀察，全部收集起來(lái)是指，將所有部件拼湊起來(lái)應(yīng)為一完整的吊弦。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的失效分析方法，其特征在于:用體視顯微鏡對(duì)失效樣品的宏觀特征進(jìn)行檢查，分別使用0.5 X和1.6 X物鏡，在10?100倍下獲得斷口表面及其周?chē)拇缶吧罟鈱W(xué)圖像。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的失效分析方法，其特征在于:所截取的進(jìn)行微觀檢查的樣品直徑不超過(guò)5cm，高度為1.5_3cm05.根據(jù)權(quán)利要求1所述的失效分析方法，其特征在于:使用分析純的無(wú)水乙醇對(duì)樣品進(jìn)行超聲清洗。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的失效分析方法，其特征在于:利用掃描電子顯微鏡進(jìn)行形貌觀察時(shí)，從低放大倍數(shù)變換到高放大倍數(shù)進(jìn)行觀察，其中斷口微觀特征觀察的放大倍數(shù)為2000 ?3500倍。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的失效分析方法，其特征在于:掃描電子顯微鏡的工作條件為:加速電壓:5?20KV;工作距離:6?1mm;工作電流:100?880pA。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的失效分析方法，其特征在于:掃描電子顯微鏡進(jìn)行微觀形貌觀察時(shí)，掃描速度使用最慢掃描速度。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的失效分析方法，其特征在于:電子探針X射線顯微分析儀進(jìn)行元素分析的工作條件為:燈絲電流:28?40μΑ;加速電壓:10?25KV;當(dāng)元素定性分析時(shí)，電子束流為ΙΟΟηΑ，束斑直徑:I?30μπι;當(dāng)對(duì)元素相對(duì)分布進(jìn)行分析時(shí)，電子束流為50ηΑ，束斑直徑:lym，步長(zhǎng):2?ΙΟμπι。10.權(quán)利要求1-9任一所述失效分析方法在由于腐蝕性元素的滲入引起的金屬結(jié)構(gòu)件的疲勞失效分析中的應(yīng)用，尤其在地鐵供電網(wǎng)絡(luò)懸吊結(jié)構(gòu)件的失效分析中的應(yīng)用。
【文檔編號(hào)】G01N21/84GK105866120SQ201610172361
【公開(kāi)日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年3月24日
【發(fā)明人】丁寧, 時(shí)軍波, 胡志文
【申請(qǐng)人】山東省分析測(cè)試中心