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摘要：材料在应力和腐蚀环境的共同作用下引起的破坏叫应力腐蚀。影响应力腐蚀的因素主要包括环境因素、力学因素和冶金因素。随着铜合金、铝合金、不锈钢材料零部件在接触网中的大规模应用，由于应力腐蚀原因造成零部件失效而影响行车的情况时有发生。本文对零部件断裂的条件及检测的方法进行了分析,并针对这些问题做了相应的防护措施，以供参考。
关键词：断裂;疲劳腐蚀断裂;防护
中图分类号：TM922.5 文献标识码：A 文章编号：
1 概述
电气化铁路接触网做为向电力机车供电的无备用的户外输电线路，其质量的好坏直接影响着铁路的运输，对于其零部件的要求更高。接触网零部件大多由铜合金、铝合金及不锈钢等材料制造。铜合金、铝合金、不锈钢都具有优良的机械性能，但由于制造或材料晶体组织等方面的原因，零件在特定的介质环境下易发生应力腐蚀断裂。在电力机车受电弓通过、风载荷、环境温度变化等因素影响下，接触网系统会发生振动，使接触网零部件处于应力疲劳状态，一旦环境中有腐蚀元素，接触网零部件就会发生疲劳腐蚀断裂。
应力腐蚀断裂往往是在没有任何明显宏观变形条件下发生的脆性断裂。应力腐蚀裂纹一旦形成，扩展速度比其他类型的局部腐蚀速度快，是目前所知的腐蚀类型中破坏性最大的一类。统计结果表明，不锈钢的应力腐蚀断裂在断裂故障中高居首位，占50%以上。到目前为止，还没有十分有效的方法监测运行中的接触网零部件状况，只能通过肉眼观测。接触网关键零部件发生断裂，不仅会造成停电、停车事故，还会因其突发性危及行车安全，造成严重后果。因此，研究零部件应力腐蚀断裂机理，并采取有针对性的防护措施，对确保接触网零部件安全运行十分必要。
2 应力腐蚀破坏的机理与特征
2.1 应力腐蚀断裂和腐蚀疲劳断裂定义
应力腐蚀断裂是指零件在应力和特定的腐蚀环境共同作用下发生的一种局部腐蚀破坏，破坏形态是腐蚀裂纹扩展断裂。腐蚀疲劳断裂是指零件在交变应力（或循环应力） 和腐蚀介质的联合作用下发生的断裂现象。腐蚀疲劳所造成的破坏，要比单纯的交变应力引起的破坏或单纯的腐蚀作用造成的破坏严重得多，在接触网零件中更具有普遍性。
2.2 应力腐蚀机理
应力腐蚀常出现在铜合金、高强度铝合金和不锈钢中，对于常见应力腐蚀机理的分析有电化学理论、吸氢变脆理论和应力吸附破裂理论等。应力腐蚀过程可分为萌生阶段、裂纹扩展阶段和失稳断裂阶段。
（1）萌生阶段，即由于腐蚀引起的腐蚀敏感部位形成微小蚀坑或裂纹核的阶段。这个阶段中，零部件在应力和腐蚀介质作用下，表面的氧化膜被腐蚀而受到破坏，由于电化学作用，腐蚀进一步加剧，金属表面的保护膜在拉应力的作用下产生滑移，使钝化膜破裂，逐渐形成蚀孔和裂纹核。这个阶段時间长，约占断裂总时间的90%。假如在零部件制造过程中，表面已经有微小裂纹、折叠等缺陷，即已经形成裂纹核，那么，应力腐蚀会很快发生。
（2）裂纹扩展阶段，即由裂纹核或蚀孔达到极限应力值为止的阶段。这个过程中，零部件的内部产生一条狭窄的活性通道，随后在拉应力的作用下，活性通道前端的钝化膜反复破裂，产生裂纹，裂纹沿着垂直于拉应力作用的方向前进扩展。
（3）失稳断裂阶段，即从裂纹扩展阶段结束到零件断裂的阶段。这种裂纹不仅可以沿着金属晶粒边界发展，而且还能穿过晶粒发展，即穿晶腐蚀。
2.3 应力腐蚀断口特征
应力腐蚀断裂裂纹的深、宽比相当大，前端尖细，深入到基体内部，后端宽度较大，边缘较为圆滑。裂纹方向在宏观上和主拉伸应力的方向垂直，在微观上略有偏移。裂纹断口的形貌，宏观上属于脆性断裂，即使塑性很高的材料也是如此；但从微观上观察，在断裂面上仍有塑性流便痕迹，断面有裂纹分叉现象，断口形貌呈海滩条纹、羽毛状、扇子形等形状。应力腐蚀断口可分为腐蚀区、解理区、过渡区和韧窝区。应力高的试样腐蚀区、解理区、过渡区较小，中心韧窝区较大，应力低的试样则相反。
3 应力腐蚀发生的条件
应力腐蚀断裂因素如图所示。
应力腐蚀断裂因素
3.1 特定的腐蚀介质
一定的材料-介质的组合，是发生应力腐蚀断裂的必要条件，环境温度则是影响应力腐蚀断裂的重要因素，介质浓度、温度越高，越容易发生应力腐蚀。例如，奥氏体不锈钢对氯化物的应力腐蚀敏感，但在室温条件下，零部件较少发生氯化物应力腐蚀开裂，当温度达到50～200 ℃时，微量的氯离子就可能引起零部件应力腐蚀开裂，这个温度范围内发生的断裂事故高达全部断裂事故的50%。从目前所发生的接触网铜合金零件、不锈钢零件断裂情况看，硫酸根离子、氯离子是主要的腐蚀介质。
3.2 材料的成分和组织状态
材料的成分、组织状态以及热处理对零部件耐应力腐蚀性能影响很大。材料组织中含非金属夹杂物或其他有害成分时，晶界组织存在沿晶析出相，易使材料在热处理过程中发生晶界敏化，在潮湿腐蚀环境下，易发生晶间腐蚀。一般来说，晶粒越粗大、杂质含量越多、材料抗拉强度越高，应力腐蚀的敏感性越大。此外，在零部件制造过程中，不合理的工艺会使零部件表面产生裂纹缺陷或折叠缺陷，直接在零部件中形成裂纹核，一旦有腐蚀介质，零部件会很快开裂。
3.3 拉应力
3.3.1 引起零部件失效的应力
拉应力是应力腐蚀断裂的另一个关键因素，通常情况下，主裂纹与应力方向垂直。交变应力与腐蚀介质的联合作用会造成腐蚀疲劳，低频交变应力也会造成应力腐蚀断裂。
引起零部件失效的应力因素有3种。
（1）残余应力，是零部件在冷加工和焊接过程中产生的应力。残余应力引起的断裂在接触网零部件断裂失效中占有很大比重。
（2）工作应力，是零部件在工作条件下所受的外加载荷产生的应力。
（3）腐蚀应力，是腐蚀产物在裂纹尖端膨胀产生的应力。由于腐蚀产物体积比被腐蚀掉的金属的体积大，会造成“楔入作用”。
3.3.2 应力强度因子与应力腐蚀断裂的关系
应力越大，越易引起应力腐蚀断裂。为研究应力对零部件开裂的影响，引进应力强度因子概念。强度因子是表征弹性体裂纹尖端区域应力场强弱程度的参量，它和裂纹大小、零部件的几何尺寸以及外应力有关。
4 接触网零部件应力腐蚀的预防
一定的材料、与之匹配的特定介质和拉应力，是发生应力腐蚀断裂的主要因素，只要三者缺一，零部件就不会发生应力腐蚀断裂。所以，只要避免或改变这3个要素中的1个，就能防止零部件因应力腐蚀发生断裂。防止零部件发生应力腐蚀最有效的方法是控制应力。
（1）应使应力分布尽可能均匀，减小局部应力集中的程度。
（2）零部件应尽量避免切口，截面突然变化，尖锐棱角、沟槽、开孔等，或将这些边、角、槽、开孔设计在低应力区或压应力区，并做一定的处理，如锐角倒圆、毛刺磨掉、内角填平、喷丸处理等。
（3）对可能产生应力集中的关键部位，可适当增加部件的壁厚。
（4）尽量不选用使构件表面产生残余拉应力的工艺方法。焊接时，选用合适的焊接工艺和顺序，使热影响区温度均匀，残余应力小。对于加工中形成的零部件，通过热处理消除残余应力是一种普遍采用的方法，例如，采用退火的方法消除残余应力。需要注意的是，在热处理不锈钢时，如果处理不当，可能造成敏化，增加晶间腐蚀倾向。
我国南北气候环境相差很大，各地空气污染情况随时变化，要想准确预知哪条线路或者哪个区段存在腐蚀介质，是很困难的。但对于一些特殊地区，如沿海地区，应尽量避免选用普通奥氏体不锈钢，因为在沿海环境中存在较多氯化物，奥氏体不锈钢不仅会发生应力腐蚀，还容易发生孔蚀和缝隙腐蚀，蚀坑常常成为应力腐蚀的裂纹源。此外，我国南方比北方气温更高，空气湿度更大，也更容易发生应力腐蚀。改变材料的成分，对提高耐应力腐蚀能力有一定的作用。此外，采用阳极保护或表面喷涂耐腐蚀金属的方法，将腐蚀介质与零部件隔离开，也会收到良好的效果。
参考文献
［1］TB/T 2074—2010 电气化铁路接触网零部件试验方法［S］．
［2］GB/T 10567.1—1997 铜及铜合金加工材残余应力检测方法硝酸亚汞试验法［S］．
［3］GB/T 10567.2—1997 铜及铜合金加工材残余应力检测方法氨熏试验法［S］．
［4］刘建洲． 奥氏体不锈钢的应力腐蚀及其防护［J］．石油化工设备技术，2010（4）：49-53．
［5］姜勇，巩建鸣，周荣荣． 浓度和温度对316L不锈钢在NaOH溶液中应力腐蚀开裂行为的影响［J］． 腐蚀与防护，2008,29（12）：749-751.
关键词：断裂;疲劳腐蚀断裂;防护
中图分类号：TM922.5 文献标识码：A 文章编号：
1 概述
电气化铁路接触网做为向电力机车供电的无备用的户外输电线路，其质量的好坏直接影响着铁路的运输，对于其零部件的要求更高。接触网零部件大多由铜合金、铝合金及不锈钢等材料制造。铜合金、铝合金、不锈钢都具有优良的机械性能，但由于制造或材料晶体组织等方面的原因，零件在特定的介质环境下易发生应力腐蚀断裂。在电力机车受电弓通过、风载荷、环境温度变化等因素影响下，接触网系统会发生振动，使接触网零部件处于应力疲劳状态，一旦环境中有腐蚀元素，接触网零部件就会发生疲劳腐蚀断裂。
应力腐蚀断裂往往是在没有任何明显宏观变形条件下发生的脆性断裂。应力腐蚀裂纹一旦形成，扩展速度比其他类型的局部腐蚀速度快，是目前所知的腐蚀类型中破坏性最大的一类。统计结果表明，不锈钢的应力腐蚀断裂在断裂故障中高居首位，占50%以上。到目前为止，还没有十分有效的方法监测运行中的接触网零部件状况，只能通过肉眼观测。接触网关键零部件发生断裂，不仅会造成停电、停车事故，还会因其突发性危及行车安全，造成严重后果。因此，研究零部件应力腐蚀断裂机理，并采取有针对性的防护措施，对确保接触网零部件安全运行十分必要。
2 应力腐蚀破坏的机理与特征
2.1 应力腐蚀断裂和腐蚀疲劳断裂定义
应力腐蚀断裂是指零件在应力和特定的腐蚀环境共同作用下发生的一种局部腐蚀破坏，破坏形态是腐蚀裂纹扩展断裂。腐蚀疲劳断裂是指零件在交变应力（或循环应力） 和腐蚀介质的联合作用下发生的断裂现象。腐蚀疲劳所造成的破坏，要比单纯的交变应力引起的破坏或单纯的腐蚀作用造成的破坏严重得多，在接触网零件中更具有普遍性。
2.2 应力腐蚀机理
应力腐蚀常出现在铜合金、高强度铝合金和不锈钢中，对于常见应力腐蚀机理的分析有电化学理论、吸氢变脆理论和应力吸附破裂理论等。应力腐蚀过程可分为萌生阶段、裂纹扩展阶段和失稳断裂阶段。
（1）萌生阶段，即由于腐蚀引起的腐蚀敏感部位形成微小蚀坑或裂纹核的阶段。这个阶段中，零部件在应力和腐蚀介质作用下，表面的氧化膜被腐蚀而受到破坏，由于电化学作用，腐蚀进一步加剧，金属表面的保护膜在拉应力的作用下产生滑移，使钝化膜破裂，逐渐形成蚀孔和裂纹核。这个阶段時间长，约占断裂总时间的90%。假如在零部件制造过程中，表面已经有微小裂纹、折叠等缺陷，即已经形成裂纹核，那么，应力腐蚀会很快发生。
（2）裂纹扩展阶段，即由裂纹核或蚀孔达到极限应力值为止的阶段。这个过程中，零部件的内部产生一条狭窄的活性通道，随后在拉应力的作用下，活性通道前端的钝化膜反复破裂，产生裂纹，裂纹沿着垂直于拉应力作用的方向前进扩展。
（3）失稳断裂阶段，即从裂纹扩展阶段结束到零件断裂的阶段。这种裂纹不仅可以沿着金属晶粒边界发展，而且还能穿过晶粒发展，即穿晶腐蚀。
2.3 应力腐蚀断口特征
应力腐蚀断裂裂纹的深、宽比相当大，前端尖细，深入到基体内部，后端宽度较大，边缘较为圆滑。裂纹方向在宏观上和主拉伸应力的方向垂直，在微观上略有偏移。裂纹断口的形貌，宏观上属于脆性断裂，即使塑性很高的材料也是如此；但从微观上观察，在断裂面上仍有塑性流便痕迹，断面有裂纹分叉现象，断口形貌呈海滩条纹、羽毛状、扇子形等形状。应力腐蚀断口可分为腐蚀区、解理区、过渡区和韧窝区。应力高的试样腐蚀区、解理区、过渡区较小，中心韧窝区较大，应力低的试样则相反。
3 应力腐蚀发生的条件
应力腐蚀断裂因素如图所示。
应力腐蚀断裂因素
3.1 特定的腐蚀介质
一定的材料-介质的组合，是发生应力腐蚀断裂的必要条件，环境温度则是影响应力腐蚀断裂的重要因素，介质浓度、温度越高，越容易发生应力腐蚀。例如，奥氏体不锈钢对氯化物的应力腐蚀敏感，但在室温条件下，零部件较少发生氯化物应力腐蚀开裂，当温度达到50～200 ℃时，微量的氯离子就可能引起零部件应力腐蚀开裂，这个温度范围内发生的断裂事故高达全部断裂事故的50%。从目前所发生的接触网铜合金零件、不锈钢零件断裂情况看，硫酸根离子、氯离子是主要的腐蚀介质。
3.2 材料的成分和组织状态
材料的成分、组织状态以及热处理对零部件耐应力腐蚀性能影响很大。材料组织中含非金属夹杂物或其他有害成分时，晶界组织存在沿晶析出相，易使材料在热处理过程中发生晶界敏化，在潮湿腐蚀环境下，易发生晶间腐蚀。一般来说，晶粒越粗大、杂质含量越多、材料抗拉强度越高，应力腐蚀的敏感性越大。此外，在零部件制造过程中，不合理的工艺会使零部件表面产生裂纹缺陷或折叠缺陷，直接在零部件中形成裂纹核，一旦有腐蚀介质，零部件会很快开裂。
3.3 拉应力
3.3.1 引起零部件失效的应力
拉应力是应力腐蚀断裂的另一个关键因素，通常情况下，主裂纹与应力方向垂直。交变应力与腐蚀介质的联合作用会造成腐蚀疲劳，低频交变应力也会造成应力腐蚀断裂。
引起零部件失效的应力因素有3种。
（1）残余应力，是零部件在冷加工和焊接过程中产生的应力。残余应力引起的断裂在接触网零部件断裂失效中占有很大比重。
（2）工作应力，是零部件在工作条件下所受的外加载荷产生的应力。
（3）腐蚀应力，是腐蚀产物在裂纹尖端膨胀产生的应力。由于腐蚀产物体积比被腐蚀掉的金属的体积大，会造成“楔入作用”。
3.3.2 应力强度因子与应力腐蚀断裂的关系
应力越大，越易引起应力腐蚀断裂。为研究应力对零部件开裂的影响，引进应力强度因子概念。强度因子是表征弹性体裂纹尖端区域应力场强弱程度的参量，它和裂纹大小、零部件的几何尺寸以及外应力有关。
4 接触网零部件应力腐蚀的预防
一定的材料、与之匹配的特定介质和拉应力，是发生应力腐蚀断裂的主要因素，只要三者缺一，零部件就不会发生应力腐蚀断裂。所以，只要避免或改变这3个要素中的1个，就能防止零部件因应力腐蚀发生断裂。防止零部件发生应力腐蚀最有效的方法是控制应力。
（1）应使应力分布尽可能均匀，减小局部应力集中的程度。
（2）零部件应尽量避免切口，截面突然变化，尖锐棱角、沟槽、开孔等，或将这些边、角、槽、开孔设计在低应力区或压应力区，并做一定的处理，如锐角倒圆、毛刺磨掉、内角填平、喷丸处理等。
（3）对可能产生应力集中的关键部位，可适当增加部件的壁厚。
（4）尽量不选用使构件表面产生残余拉应力的工艺方法。焊接时，选用合适的焊接工艺和顺序，使热影响区温度均匀，残余应力小。对于加工中形成的零部件，通过热处理消除残余应力是一种普遍采用的方法，例如，采用退火的方法消除残余应力。需要注意的是，在热处理不锈钢时，如果处理不当，可能造成敏化，增加晶间腐蚀倾向。
我国南北气候环境相差很大，各地空气污染情况随时变化，要想准确预知哪条线路或者哪个区段存在腐蚀介质，是很困难的。但对于一些特殊地区，如沿海地区，应尽量避免选用普通奥氏体不锈钢，因为在沿海环境中存在较多氯化物，奥氏体不锈钢不仅会发生应力腐蚀，还容易发生孔蚀和缝隙腐蚀，蚀坑常常成为应力腐蚀的裂纹源。此外，我国南方比北方气温更高，空气湿度更大，也更容易发生应力腐蚀。改变材料的成分，对提高耐应力腐蚀能力有一定的作用。此外，采用阳极保护或表面喷涂耐腐蚀金属的方法，将腐蚀介质与零部件隔离开，也会收到良好的效果。
参考文献
［1］TB/T 2074—2010 电气化铁路接触网零部件试验方法［S］．
［2］GB/T 10567.1—1997 铜及铜合金加工材残余应力检测方法硝酸亚汞试验法［S］．
［3］GB/T 10567.2—1997 铜及铜合金加工材残余应力检测方法氨熏试验法［S］．
［4］刘建洲． 奥氏体不锈钢的应力腐蚀及其防护［J］．石油化工设备技术，2010（4）：49-53．
［5］姜勇，巩建鸣，周荣荣． 浓度和温度对316L不锈钢在NaOH溶液中应力腐蚀开裂行为的影响［J］． 腐蚀与防护，2008,29（12）：749-751.