动车组客室座椅椅腿开裂试验研究

贾 旭 战 雪 周鑫弘

(中车长春轨道客车股份有限公司设备研发部，130062，长春//第一作者，高级工程师)

动车组客室座椅是乘客乘坐安全性和舒适性最为直接相关的设备。座椅通过椅腿与地板连接，椅腿的开裂影响着乘客的安全性。现车检修中发现客室座椅腿腐蚀现象较为严重，数量较多，部分有开裂现象，其问题主要集中在材质为铝合金底架的座椅椅腿上。本文对于此问题展开研究，从椅腿断裂普查、断口形式、强度验证、腐蚀介质等几方面对椅腿开裂进行分析，并根据分析结果提出优化解决方案。

1 座椅椅腿断裂普查

对线路上出现典型断裂问题的6组车辆进行普查。6组车辆座椅均投入运行5年左右，部分座椅椅腿出现断裂现象，与原设计使用寿命20年严重不相符。其中,3人座椅中间腿开裂占所有开裂椅腿比例达到了86.84%，这可能与未安装保护罩壳关系较大。除开裂外现象，未开裂椅腿部分也有不同程度的掉漆和腐蚀现象。断裂椅腿如图1所示，普查结果如表1所示。

a) 实景图1b) 实景图2c) 实景图3

图1 断裂椅腿图片

座椅腿材质采用A7003S-T5高强度铝合金型材焊接而成，表面未进行氧化处理，但有喷漆。断裂椅腿如图1所示，断裂位置位于角焊缝上方，断口呈锯齿状。

2 椅腿断口断裂性质分析

2.1 化学成分和力学性能检查

按GB/T 3190—2008《变形铝及铝合金化学成分》要求检查椅腿材料化学成分的符合性。化学元素检查结果如表2所示。

表2 椅腿材料化学成分检查结果

按GB/T 6892—2006《一般工业用铝及铝合金挤压型材》要求检查椅腿材料力学性能。材料力学性能检查结果如表3所示。检查结果显示，在化学成分和力学性能上均满足标准要求。

表3 椅腿材料力学性能检查结果

2.2 宏观检验

对焊接件的外观进行检验，焊接件断口的宏观形貌如图2所示，断口断面如图3所示。由图2可明显观察到启裂源、扩展区和瞬断区，启裂源在圆弧右侧直角处，断口没有出现明显的塑性变形，脆断特征明显。也就是说从椅腿的内侧启裂源开始启裂，逐渐向两侧扩散，扩散伴随着椅腿强度降低，当载荷大于椅腿承载极限时产生瞬断。裂纹扩展如图4所示。

2.3 扫描电镜观察及能谱分析

采用捷克Tescan VEGA TS 5136XM扫描电子显微镜观察椅腿直角部分的断口，如图5所示。

由图6—图9可以看出，在主裂纹的启裂源和扩展区腐蚀产物主要为铝的氧化物和一些富Cl、S、Ca、Na、Mg元素的盐类。断口裂纹为沿晶裂纹，断口高低起伏，扩展区有大量的沿晶二次裂纹，呈现明显的脆性特征，在主裂纹的启裂源和扩展区裂纹表面有大量的腐蚀产物。

图2 椅腿断口的宏观形貌

图3 椅腿断口断面形貌

图4 椅腿裂纹扩展方向

图5 椅腿直角部分断口断面微观形貌

图6 断口主裂纹启裂源(放大500倍)

图7 启裂源腐蚀产物的能谱

图8 主裂纹扩展区(放大1 000倍)

图9 扩展区腐蚀产物的能谱

对二次裂纹的观察分析如图10—图13所示。由图可以看出，二次裂纹起始位置也存在大量的腐蚀在外，扩展以沿晶的方式进行，裂纹存在明显的分叉特征。

图10 二次扩展裂纹1起始区(放大100倍)

图11 二次扩展裂纹1扩展区(放大500倍)

图12 二次扩展裂纹2起始区(放大100倍)

图13 二次扩展裂纹2扩展区尖端(放大100倍)

3 座椅强度测试

对未腐蚀座椅进行静强度、座椅靠背疲劳、座椅旋转疲劳、冲击振动等试验，分析断裂是否由于座椅设计强度不足导致。座椅测试试验台如图14所示。

a) 实景图1

b) 实景图2

3.1 静强度测试

依照TB/T 3263—2011标准，在座椅靠背上部加载压力1 000 N，椅腿未开裂，椅腿最大应力为257.8 MPa，小于铝合金A7003S-T5的许用强度(275 MPa)。

3.2 耐久测试

依照TB/T 3263—2011标准，在座椅靠背加载压力(标准要求单靠背)，加载位置在两个靠背中心并与靠背上端平齐(标准要求靠背中部)，加载压力为1 000 N(标准要求245 N)。经过14万次的循环疲劳试验后，4个椅腿的焊接焊缝均有开裂现象，而焊接热影响区域型材确没有出现开裂现象。

3.3 旋转强度测试

采用人工模拟座椅旋转状态，对座椅进行人工±180°旋转测试。经过7万次的人工旋转疲劳试验后，椅腿型材没有出现开裂现象。这说明座椅椅腿可以满足座椅旋转疲劳要求。

3.4 寿命振动测试

依据IEC 61373标准进行振动测试。试验模拟乘客载荷，在座椅靠背上部和坐垫上施加70 kg沙袋，经过横向和纵向两次冲击振动试验后，椅腿区域并没有出出现开裂现象。

上述试验结果表明，椅腿满足设计强度，开裂非强度不足原因导致。

4 椅腿腐蚀过程试验模拟

经实际调查发现，动车组的车内清洁过程中一直使用清洁剂，而清洁剂具有一定的酸碱腐蚀性。对各站点实际使用的清洁剂进行收集，个别清洗剂含较强的酸性或碱性。取两种清洗剂A和B，其中A型清洗剂为酸性，B型清洗剂为碱性。

对两种溶液进行成分分析，A型清洗剂中含有对铝材起到缓蚀作用的成分三乙醇胺硼酸酯和尿素、B型清洗剂中含有对铝材起到缓蚀作用的成分有三乙醇胺硼酸酯和苯并三氮唑。

按标准GB/T 6892—2006《一般工业用铝和铝合金挤压型材》进行铝合金型材抗应力腐蚀性能试验，验证型材在腐蚀溶液中是否发生应力腐蚀以及腐蚀时长。

4.1 配置试验用浸泡溶液

配制与现车清洗剂相同的溶液，溶液配制如表4所示。

表4 清洗剂溶液配制表

4.2 制作浸泡样件

在椅腿型材上割取3段样件，并去除内部加强筋和油漆涂层，参照标准选用螺栓固定，浸泡样件如图15所示。

4.3 浸泡试验

分别在3个塑料盒倒入浸泡溶液，试验样件置于溶液中，如图16所示。5天后经A溶液浸泡过的产品出现裂纹(见图17 a))，10天后经B溶液浸泡过的产品出现裂纹(见图17 b))。经A溶液浸泡的样件裂纹要明显大于经B溶液浸泡产品，这与表1中前3组车椅腿开裂数量低于后4组车较符合。按中性氯化钠溶液浸泡的产品未出现裂纹。具体见表5所示。

图15 椅腿浸泡样件

图16 椅腿浸泡试验场景

酸性或碱性清洁剂都具有腐蚀性，椅腿在溶液中很快就会发生腐蚀。车辆清洗的过程中如果没有对清洗剂稀释到规定浓度会使加剧腐蚀。但即使稀释到规定的浓度，如果不能及时清除掉，在表面不平整的地方会有清洗剂堆积，随着清洗剂中水逐渐蒸发，酸、碱浓度加大，也会增加腐蚀的可能性。清洗剂的酸碱性不可避免，所以关键还是要提升椅腿自身的防腐性能。

a) A溶液浸泡

b) B溶液浸泡

腐蚀液种类开始时间完成时间结果A清洗剂9月11日9月21日开裂B清洗剂9月11日9月21日开裂氯化钠溶液9月11日9月21日未开裂

5 分析讨论

一般产生应力腐蚀裂纹必须具备3个条件：存在拉应力；材料对应力腐蚀有高的敏感性；特定的腐蚀环境。椅腿经断口断裂性质分析、强度分析和腐蚀过程模拟，可以判定以上3个条件都具备，且裂纹各种特征完全符合，故可断定椅腿裂纹为应力腐蚀裂纹。

铝合金应力裂纹的产生机理主要存在两种解释:一是阳极溶解理论;二是阴极氢脆开裂机理。阳极溶解理论认为，在腐蚀介质中，合金表面会形成一层保护膜，而在拉应力或活性离子(Cl-)作用下，会发生膜的破坏，致使合金表面裸露，裸露的基体金属与合金其他表面构成小阳极和大阴极的腐蚀电池，故合金新鲜表面就发生了阳极溶解，由于阳极面积比阴极的小得多，阳极的电流密度很大，进一步腐蚀已破坏的表面。氢脆理论则认为，腐蚀过程中产生的自由原子氢通过应力诱导扩散和位错迁移，使得氢向裂纹前端的高应力区富集，经过足够长的时间后，氢浓度达到一个临界值，便可促使氢脆的发生，并且铝合金中聚集分布的不溶项类同于三轴应力缺陷，首先捕捉了反应生成的氢原子，并在拉应力的作用下沿晶界优先偏聚，引起沿晶开裂。氢在裂纹附近的浓度高于基体浓度，在裂纹尖端氢除了浓度较高外，其扩散系数也最大，比距离裂纹较远外基体中的高两个数量级。

6 优化措施

对于应力腐蚀，从座椅自身出发，给出如下建议:

(1) 增强底架的防腐保护，将3人座椅中间椅腿包裹在椅腿罩壳中(见图18)，既可防止磕碰掉漆，又可减少与清洗剂接触。

图18 椅腿罩壳

(2) 提高表面平整性，减少能够存留液体的孔洞和沟槽，使清洗剂不容易在椅腿存留。

(3) 控制应力腐蚀，关键在于防止腐蚀，将原座椅椅腿表面涂层喷漆改成喷塑，增加防腐性能。

按GB/T 10125—2012《人造气氛腐蚀试验 盐雾试验》要求对喷漆和喷塑两种表面处理的椅腿样件进行防腐试验(见图19)。试验结果如表6所示。

a) 喷塑处理

b) 喷漆处理

表面处理温度/℃沉降量/(mL/(80 cm2·h))盐溶液体积分数/%pH值试验时间/h结论喷塑351～256.5～7.2720无明显腐蚀油漆351～256.5～7.2260鼓包、开裂

喷塑的椅腿防腐性能要明显高于喷漆。按标准规定，24 h的盐雾试验相当于自然条件下使用一年，喷塑720 h代表能够满足自然使用30年，满足设计寿命。

(4) 底架为铝合金焊接结构件，焊接过程中容易产生预应力，故应做好自然时效流程，去除预应力。

7 结论

(1) 座椅腿开裂是典型的高强度铝合金应力腐蚀开裂。椅腿在腐蚀状态下承受负载能力降低,在长期处于应力腐蚀工况下，易引发开裂。

(2) 清洗剂中含有对铝合金起缓蚀的成分，能够造成铝合金腐蚀。

(3) 油漆表面的防腐性能过低，不能满足设计寿命要求，如将喷漆改为喷塑处理，能够有效提高表面防腐能力。