Page 74 - 《爆炸与冲击》2025年第12期

第 45 卷 王鸿立，等： 高铁接触网铜镁合金材料的率温耦合变形机理与本构参数 第 12 期

action of work hardening, strain rate, and temperature softening. When the temperature exceeds 473 K, temperature softening
becomes the dominant factor in material deformation, and the elevated temperature can stimulate dynamic recovery and
dynamic recrystallization processes. The modified Johnson-Cook model was found to be capable of accurately predicting the
plastic flow stress-strain response. These research outcomes provide valuable guidance and references for the safety design and
evaluation of the high-speed train pantograph-catenary system during its service.
Keywords: catenary system; copper-magnesium alloy; strain rate sensitivity; temperature sensitivity; compressive mechanical
properties; dynamic constitutive relationship

受电弓-接触网系统（简称“弓网系统”）作为高速铁路系统的关键部件，是高速列车获取能量的唯
[1]
一途径 。随着列车速度的不断提高，弓网接触状态由“滑动”变为“滑跳”，加剧了机械冲击、电弧热
[2]
和焦耳热对接触线的影响，接触网可能出现硬点、铜屑、拉丝甚至断裂等现象 ，威胁弓网系统的服役安
全。随着列车高速化和重载化的发展，弓网动态冲击作用大大增强 [3-5] ，高温与冲击载荷的耦合作用已成
为弓网系统安全服役的关键制约因素。因此，开展宽温域内弓网系统材料的动态力学性能与本构关系
研究，具有重要的学术意义和工程价值。
目前，接触网材料主要有银铜合金、锡铜合金、铜镁合金等。其中，铜镁合金具有高温抗软化能力
强、导电率高等优点，被广泛应用于高速铁路弓网系统，该合金为固溶强化型合金，其中 Mg 元素的添加
可以显著提高抗拉强度、耐腐蚀性和耐高温性 。已有许多学者开展了接触网材料准静态力学性能 、
[6]
[7]
[8]
磨耗性能 、疲劳性能 [9-10] 研究，但目前还没有针对接触网铜镁合金材料率温耦合动态力学性能的研
究。同时，现有的弓网关系研究大多忽略了弓网结构材料力学性能的影响；但是，高速冲击作用下弓网
材料动态力学性能对其滑动接触行为的影响是不可忽略的。
本文中采用电子万能试验机和分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar, SHPB），研究宽温
−1
度（293～873 K）和宽应变率（0.001～3 000 s ）范围内接触网铜镁合金材料的单轴压缩力学性能，通过
EBSD 对不同工况下加载后的样品进行表征，分析率温耦合作用下接触网铜镁合金的压缩变形机理及其
微观组织演化规律，并构建可准确表征接触网铜镁合金材料塑性流动行为的修正 Johnson-Cook（J-C）
模型。

1 材料和实验方法

1.1 试件制备
研究材料取自如图 1(a) 所示的高铁弓网系统中的接触线，其制作方法大多采用连续挤压法，先经过
上引连铸机引成铜杆并收线成盘，然后经连续挤压机挤压成铜杆，再经轧机轧制成轧杆，最后经拉机拉
拔成接触线 [11] ，主要化学成分为 Cu-0.51Mg-0.01P（wt.%）。为避免尺寸效应对力学性能的影响，利用线切

Specimen sampling location
Pantograph-catenary 5 mm Observation
surface
system
5 mm

High-speed train
Cut line
Steel Rail

Specimen EBSD specimen
(a) Sampling method (b) Specimen preparation

图 1 接触网铜镁合金材料压缩试件取样示意图
Fig. 1 Schematic diagram of the compression specimen sampling for catenary copper-magnesium alloy

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