一种地铁供电网络悬吊结构件的失效分析方法及应用
【专利摘要】本发明公开了一种地铁供电网络悬吊结构件的失效分析方法及应用，包括如下步骤：在已经断裂失效的悬吊结构件的断口处取样(包含断裂面)，将样品清洁后，首先利用体视显微镜进行断口及其周围的宏观检查。利用扫描电子显微镜对断口进行微观形貌观察，然后利用电子探针X射线显微分析仪对断口表面进行元素定性分析，最后利用电子探针X射线显微分析仪对样品进行元素相对分布分析，根据检测结果分析导致悬吊结构件失效的原因。将体视显微镜、扫描电子显微镜与电子探针X射线显微分析仪等设备结合起来鉴定悬吊结构的失效原因，各自取长补短使整个分析过程更有理有据，即准确直观，又方便易行，对杂质元素的分析与定位也更精确。
【专利说明】
一种地铁供电网络悬吊结构件的失效分析方法及应用
技术领域
[0001]本发明具体涉及一种地铁供电网络悬吊结构件的失效分析方法及应用。
【背景技术】
[0002]随着现代经济的发展与进步，城市轨道交通在社会发展和市民日常生活中发挥着越来越重要的作用。目前全国已经建有近百条地铁线，遍布二十多个大、中城市。维持地铁正常运行的关键环节之一是地铁的供电网络系统，其中，接触网是供电系统中的重要组成部分，是列车高速运行的动力之源。悬吊结构件是整个接触网的支架，是供电线、承力索间振动和力的传递者，是接触网安全运行的关键零部件。悬吊系统一旦出现问题就有可能导致整个供电系统的瘫痪，从而会使一条或者多条地铁线出现故障，而且还会危及乘客的生命安全，造成不可估量的损失。
[0003]近年来，随着国内地铁的不断提速，悬吊结构件断裂的事故时有发生。接触网在处于静止状态时，悬吊结构件承受恒定负载引起的拉伸载荷，处于拉伸状态，当地铁通过时，悬吊结构则处于松弛状态。地铁通过后，在接触线恒定负载的作用下悬吊结构回到拉伸状态。每一次地铁通过，悬吊结构完成一次周期振动。周而复始，尤其在地铁提速后，悬吊结构很容易产生疲劳断裂的现象。而且多发生在地铁通过时，所以对地铁的高速运行有着极大的威胁，一旦断裂对乘客生命及财产安全都有着不可估量的危害。
[0004]因此，分析地铁供电网络系统悬吊结构的失效原因，提高悬吊结构的生产质量，延长其使用寿命对现代地铁交通运输有着非常重要的意义。目前，针对悬吊结构件疲劳断裂现象没有系统的检测方法，这也使得在预防悬吊结构失效，生产高质量的悬吊结构件方面一直没有突破性进展。
[0005]尤其是悬吊结构在正常工况下会暴露于地上或地下的复杂环境中，例如，如果靠近化工厂区，空气或地下水中可能存在腐蚀性元素。而腐蚀性元素与疲劳共同作用于悬吊结构，会使得其断裂机制更加复杂，诊断工作也更困难。目前，针对该类复杂情况的失效分析方法建立还不够完善。虽然进行失效分析的方法很多，但是都不能对该类失效进行准确全面的分析。
【发明内容】
[0006]针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种地铁供电网络悬吊结构件的失效分析方法及应用，该方法简单、易于操作，且系统全面，可以全面分析悬吊结构件疲劳断裂的原因，从而可以更有效地预防悬吊结构件的疲劳断裂以及生产出更高质量的悬吊结构件。
[0007]为了达到上述目的，本发明提供的技术方案为:
[0008]—种地铁供电网络悬吊结构件的失效分析方法，包括如下步骤:在已经失效的悬吊结构件的断口处取样，样品应包含完整断裂面，将样品清洁后，首先利用体视显微镜进行断口及其周围的宏观检查，然后利用扫描电子显微镜(Scanning electron microscope ,SEM)对断口进行微观形貌观察，再利用电子探针X射线显微分析仪(Electro probe X-raymicroanalysis，EPMA)对断口表面进行元素定性分析，最后利用电子探针X射线显微分析仪对样品进行元素相对分布分析，根据检测结果分析导致悬吊结构件失效的原因。
[0009]优选的，在取样之前，先将失效悬吊结构件的破损部分全部收集起来，进行宏观观察。全部收集起来是指，将所有部件拼凑起来应为一完整的悬吊结构件。进行宏观观察是为了采集失效悬吊结构件整体的失效信息，有明显宏观特征的部分可以为悬吊结构件的失效分析指明方向，避免不必要的麻烦和弯路，减少错误分析的可能性。
[0010]优选的，用体视显微镜对失效样品的宏观特征进行检查，分别使用0.5 X和1.6 X物镜，在10?100倍下获得断口表面及其周围的大景深光学图像。
[0011]优选的，所截取的进行微观检查的样品直径不超过5cm，高度为1.5-3cmo
[0012]直径不超过5cm是因为扫描电镜及电子探针X射线显微分析仪的样品仓的最大容量问题。高度限定为1.5-3cm是由于扫描电镜及电子探针X射线显微分析仪的样品仓最大可容下的高度为3cm，限定取样的最低高度不小于1.5cm是为了取样的全面性，不至于取样太薄而导致样品的二次破坏和不完整性。
[0013]优选的，使用分析纯的无水乙醇对样品进行超声清洗。无水乙醇的纯度为99.99%。
[0014]优选的，利用扫描电子显微镜进行形貌观察时，从低放大倍数变换到高放大倍数进行观察，其中断口微观特征观察的放大倍数为2000?3500倍。扫描电子显微镜的工作条件为:加速电压:5?20KV;工作距离:6?1mm;工作电流:100?880pA。该参数设置可以保证在低倍及高倍下针对悬吊结构微观图像成像的质量。
[0015]优选的，扫描电子显微镜进行微观形貌观察时，扫描速度使用最慢扫描速度。扫描速度是指采集图像的快慢，一般来说扫描速度越慢采集到的图像质量越好。
[0016]优选的，电子探针X射线显微分析仪进行元素分析的工作条件为:灯丝电流:28?40μΑ;加速电压:10?25KV;当元素定性分析时，电子束流为10nA,束斑直径:1?30μπι;当对元素相对分布进行分析时，电子束流为50ηΑ，束斑直径:Ιμπι，步长:2?ΙΟμπι。
[0017]上述失效分析方法在由于腐蚀性元素的渗入引起的金属结构件的疲劳失效分析中的应用，尤其在地铁供电网络悬吊结构件的失效分析中的应用。
[0018]本发明的有益效果为:
[0019]本发明的分析方法操作简单，将体视显微镜的大景深光学成像功能、扫描电子显微镜强大的微观成像功能与电子探针X射线显微分析仪精确的元素分析功能结合起来分析结构件的失效原因，更系统、更全面。扫描电子显微镜可以在高倍数下全方位观察断口的表面形貌，但是由于技术的局限性，其配备的能量色散X射线谱(Energy dispersive X-rayspectroscopy，EDS)元素分析效果并不理想。电子探针X射线显微分析仪在高倍数下观察断口形貌时虽比不上扫描电子显微镜成像清晰，但其在元素分析方面却非常精准，比扫描电镜中EDS元素分析的准确度至少高一个数量级，并可以精确地得到各种元素在观察区的相对分布。因此，本发明将体视显微镜、扫描电子显微镜与电子探针X射线显微分析仪等检测设备结合起来检测悬吊结构的失效原因，各自取长补短使整个分析过程更有理、有据，即准确直观，又方便易行，对杂质元素的分析与定位也更精确。
【附图说明】
[0020]图1为失效不锈钢悬吊结构件的宏观形貌；
[0021 ]图2为失效不锈钢悬吊结构件断口周围的宏观形貌；
[0022]图3为体视显微镜下失效不锈钢悬吊结构件断口断面的光学图像；
[0023]图4为扫描电子显微镜低倍下观察到的样品断面形貌；
[0024]图5为扫描电子显微镜高倍下观察到的断口扩展区的微观形貌；
[0025]图6为扫描电子显微镜高倍下观察到的断口瞬断区的微观形貌；
[0026]图7为电子探针X射线显微分析仪得到的起裂区元素分布图(a)Fe、(b)0、(c)Cl。
【具体实施方式】
[0027]下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
[0028]I)本发明提供了在实践中损坏的不锈钢悬吊结构件，如图1所示。该悬吊结构件为某地铁地下段接触网滑动悬吊结构，在使用过程中发生断裂。由宏观检查可知，悬吊结构件的断裂位置均靠近其被线夹螺栓夹持的部位(即靠近悬吊结构件经加工形成的耳状环)。
[0029]2)将该损坏的悬吊结构件的所有破碎的碎片进行收集，并观察其宏观形貌。在较强的光线下对失效的悬吊结构件断口表面和侧面用肉眼和体视显微镜进行了仔细检查。检查结果表明，与经使用但未断裂的结构件相比，发生断裂的结构件在断口附近存在明显的腐蚀痕迹(图2)。观察断口断面发现，断口表面平齐，断面与不锈钢丝轴线方向垂直，无明显塑性变形，呈脆性断裂形貌(图3)。
[0030]3)将损坏的悬吊结构件断口处材料进行取样，由于此结构件直径仅为3mm，故将整个断面全部取样，高度为1.5cm，并保证底面平整。
[0031]4)将所取样品放入10mL烧杯中，并加入无水乙醇，使液面没过样品5mm为最佳，并将烧杯放入超声波清洗器中，进行超声清洗，清洗时间为15-20min。
[0032]5)将清洗过的样品，放入提供的扫描电子显微镜下进行观察。图4为低倍下观察到的样品断面形貌，断口的低倍放大形貌呈现出交变载荷导致的疲劳破坏特征，可以清晰分辨裂纹的起始源区及扩展区。起裂区处存在一个较大的腐蚀坑。将裂纹扩展区在高倍下进行观察，如图5所示，图中箭头所指示的条带就是不锈钢材料典型的疲劳断裂微观形貌。疲劳辉纹是材料疲劳断裂的微观特征花样，是确定工件疲劳破坏性质的重要证据。断口的微观检查确定了该不锈钢悬吊结构是因疲劳裂纹扩展、累积损伤破坏，而不是一次性破坏。断口的瞬断区是整个断口最后的断裂区域，是疲劳断裂的最后阶段。该区域是由于开裂结构件的未断开的截面已经不能承受最大荷载而发生的断裂，因此呈现韧窝状微观形貌(见图6)。断口上这个区域较小，约占整个断裂面的2?3%，这说明了该疲劳失效过程中，交变应力幅不大。
[0033]6)利用电子探针X射线显微分析仪对起裂区进行单点元素定性分析。由分析结果可知，除不锈钢材料中含有的常规元素之外，还检出了较高含量的氯元素(Cl)。氯是使钢铁产生点腐蚀特别重要的元素。在一定环境条件下，局部富集一定浓度的氯(氯离子浓度达到几十个ppm以上)就可以使大多数碳钢，甚至包括奥氏体不锈钢产生点腐蚀。
[0034]7)为了进一步确定腐蚀性Cl元素在断口起裂区的分布，对起裂区腐蚀坑周围进行了元素分布面扫描分析，结果见图7所示，该图中，颜色越红越密集表示元素含量越高，腐蚀区O元素分布均匀且含量普遍很高，腐蚀坑以外的区域O元素含量较少，Fe元素含量最高的区域为腐蚀坑以外的区域，而整个腐蚀坑表面检测到相对较少含量的Fe元素，Cl元素主要分布在腐蚀坑所在区域，从吊弦外表面一直延伸至腐蚀坑底。各元素在起裂区的分布，含量高低都一目了然，腐蚀区内存在有大量的Cl元素。
[00；35]由体视显微镜宏观检查、扫描电子显微镜微观形貌分析以及电子探针X射线显微分析仪元素分析可知，疲劳裂纹正是由起裂区的腐蚀坑处开始形成、扩展，并导致该悬吊结构件最终断裂。而腐蚀坑出现的主要原因为Cl元素的富集。本发明将扫描电子显微镜的形貌分析与电子探针X射线显微分析仪元素分析结合起来，通过低倍下的形貌观察，初步判断了吊弦的失效形式;高倍下观察裂纹扩展区的微观形貌，进一步确认吊弦的失效机理为疲劳断裂。利用电子探针X射线显微分析仪进行元素定性分析，检测出起裂区的腐蚀坑存在Cl元素，初步判断为Cl元素富集造成的点腐蚀形成的腐蚀坑。再利用电子探针X射线显微分析仪对整个起裂区的元素分布进行分析，由于电子探针X射线显微分析仪波谱元素分析的精准度比其他技术(能量色散X射线谱等)至少高一个数量级，所以电子探针X射线显微分析仪所给的结果可以作为判断的准确依据。在元素分析分布图中发现，大量Cl元素分布在起裂区，导致腐蚀坑的形成。对Cl元素的分布及含量的判断是本次失效事故原因判断的关键。
[0036]上述虽然结合附图对本发明的【具体实施方式】进行了描述，但并非对发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。
【主权项】
1.一种地铁供电网络悬吊结构件的失效分析方法，其特征在于:包括如下步骤:在已经失效的悬吊结构件的断口处取样，样品应包含完整断裂面，将样品清洁后，首先利用体视显微镜进行断口及其周围的宏观检查，然后利用扫描电子显微镜对断口进行微观形貌观察，再利用电子探针X射线显微分析仪对断口表面进行元素定性分析，最后利用电子探针X射线显微分析仪对样品进行元素相对分布分析，根据检测结果分析导致悬吊结构件失效的原因。2.根据权利要求1所述的失效分析方法，其特征在于:在取样之前，先将失效吊弦的破损部分全部收集起来，进行宏观观察，全部收集起来是指，将所有部件拼凑起来应为一完整的吊弦。3.根据权利要求1所述的失效分析方法，其特征在于:用体视显微镜对失效样品的宏观特征进行检查，分别使用0.5 X和1.6 X物镜，在10?100倍下获得断口表面及其周围的大景深光学图像。4.根据权利要求1所述的失效分析方法，其特征在于:所截取的进行微观检查的样品直径不超过5cm，高度为1.5_3cm05.根据权利要求1所述的失效分析方法，其特征在于:使用分析纯的无水乙醇对样品进行超声清洗。6.根据权利要求1所述的失效分析方法，其特征在于:利用扫描电子显微镜进行形貌观察时，从低放大倍数变换到高放大倍数进行观察，其中断口微观特征观察的放大倍数为2000 ?3500倍。7.根据权利要求6所述的失效分析方法，其特征在于:扫描电子显微镜的工作条件为:加速电压:5?20KV;工作距离:6?1mm;工作电流:100?880pA。8.根据权利要求1所述的失效分析方法，其特征在于:扫描电子显微镜进行微观形貌观察时，扫描速度使用最慢扫描速度。9.根据权利要求1所述的失效分析方法，其特征在于:电子探针X射线显微分析仪进行元素分析的工作条件为:灯丝电流:28?40μΑ;加速电压:10?25KV;当元素定性分析时，电子束流为ΙΟΟηΑ，束斑直径:I?30μπι;当对元素相对分布进行分析时，电子束流为50ηΑ，束斑直径:lym，步长:2?ΙΟμπι。10.权利要求1-9任一所述失效分析方法在由于腐蚀性元素的渗入引起的金属结构件的疲劳失效分析中的应用，尤其在地铁供电网络悬吊结构件的失效分析中的应用。
【文档编号】G01N21/84GK105866120SQ201610172361
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年3月24日
【发明人】丁宁, 时军波, 胡志文
【申请人】山东省分析测试中心