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黃銅具有強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐低溫以及良好的加工性和導(dǎo)電性等優(yōu)點(diǎn)，在電力、通訊、交通、化工和容器制造等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。單相銅(α相)不適于熱加工，因此，常采用熱加工性能較好的雙相黃銅合金(α+β)來(lái)生產(chǎn)熱鍛產(chǎn)品，如閥門、水嘴和管路連接件等。然而，在熱鍛過(guò)程中，黃銅合金需要在高溫下承受較大的變形，加上熱鍛產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，極易產(chǎn)生冷隔、起皮、折疊、晶粒粗大等缺陷。

某牌號(hào)雙相黃銅閥門在熱鍛后，因發(fā)生熱脆出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象或在密封性試驗(yàn)中出現(xiàn)泄漏。針對(duì)這一現(xiàn)象，筆者對(duì)其裂紋形貌特征、擴(kuò)展路徑和形成原因進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析，并研究了雙相黃銅合金的熱脆機(jī)理，以便采取措施避免類似失效的再次發(fā)生。

理化檢驗(yàn)

化學(xué)成分分析

使用SPECTRO LAB LAVM10直讀光譜儀對(duì)開(kāi)裂閥體進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。可見(jiàn)熱鍛閥門所用的黃銅合金化學(xué)成分符合EN 12164：2011 Copper and Copper Alloys-Rod for Free Machining Purposes標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表1 黃銅閥門的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))%

裂紋分析

經(jīng)泄漏檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，裂紋位于閥體部位，沿軸向擴(kuò)展，如圖1a)所示。截取閥體帶裂紋部位，觀察裂紋表面形貌。由圖1b)和圖1c)可見(jiàn)，裂紋附近無(wú)明顯塑性變形、劃傷和磕碰痕跡；裂紋表面平整，呈曲折狀擴(kuò)展。由此初步判斷該閥體為脆性開(kāi)裂。

圖1 裂紋位置和裂紋形貌

金相檢驗(yàn)

在閥體上截取帶裂紋的試樣，經(jīng)粗磨、精磨、拋光后，使用16g三氯化鐵+70mL鹽酸+220mL無(wú)水乙醇的混合溶液浸蝕4~5s。采用Zeiss imager A1m型金相顯微鏡觀察裂紋形態(tài)和分布情況，如圖2所示。

圖2 顯微組織及裂紋形貌

可見(jiàn)無(wú)裂紋區(qū)域和裂紋附近的顯微組織均由α相(白色)和β相(黑色)組成；晶粒尺寸基本一致，無(wú)明顯差異，均為等軸晶；裂紋區(qū)未見(jiàn)異常顯微組織。由圖2b)和圖2c)可見(jiàn)，主裂紋和二次裂紋均沿著晶界擴(kuò)展，即斷裂形式為沿晶開(kāi)裂。

掃描電鏡及能譜分析

圖3 斷口的微觀形貌及能譜圖

沿裂紋擴(kuò)展方向?qū)⒘鸭y打開(kāi)，采用掃描電鏡(SEM)觀察斷口微觀形貌。由圖3a)和圖3b)可見(jiàn)，斷口較為平整，無(wú)塑性變形；斷口表面呈塊狀或冰糖狀，存在一定量的二次裂紋，未見(jiàn)韌窩等塑性斷裂形貌。說(shuō)明該黃銅閥門的失效形式為典型的沿晶脆性開(kāi)裂。

為查明裂紋沿晶開(kāi)裂的原因，將斷口表面形貌進(jìn)一步放大觀察，可見(jiàn)一些沿晶界分布的物質(zhì)，它們?cè)赟EM 背散射模式下呈白亮色，如圖3c)所示。對(duì)白亮色物質(zhì)進(jìn)行能譜(EDS)分析，可見(jiàn)其化學(xué)成分主要為鉛元素，說(shuō)明在晶界上發(fā)生了鉛偏聚現(xiàn)象。

圖4 金相試樣的SEM形貌及EDS譜圖

使用掃描電鏡觀察金相試樣，如圖4所示，清晰可見(jiàn)在晶界處存在大量亮白色物質(zhì)，對(duì)其進(jìn)行EDS分析，結(jié)果表明在主裂紋區(qū)和二次裂紋區(qū)的晶界處均發(fā)生了鉛的偏聚，這與斷口分析結(jié)果相一致。

分析與討論

開(kāi)裂原因分析

斷口分析表明，黃銅閥門的開(kāi)裂形式為沿晶脆性斷裂。一般來(lái)說(shuō)，晶界的鍵合力高于晶內(nèi)的鍵合力，只有在晶界被弱化時(shí)，裂紋才會(huì)沿晶界擴(kuò)展并造成脆性斷裂。材料晶界弱化的原因主要包括：晶界上存在夾雜物或析出了連續(xù)的脆性沉淀相；雜質(zhì)元素磷、硫、砷、銻、錫、鉍、鉛等在晶界處偏聚；環(huán)境介質(zhì)因素引起了腐蝕、高溫蠕變等。

黃銅制品在服役過(guò)程中，由于應(yīng)力腐蝕作用，常常會(huì)出現(xiàn)沿晶脆性開(kāi)裂。然而，該研究中的失效黃銅閥門并未服役，而且裂紋附近的顯微組織中未見(jiàn)沿晶的析出相或夾雜物，可以排除環(huán)境腐蝕因素和沿晶析出相或夾雜物的影響。對(duì)斷口表面和顯微組織中殘留物質(zhì)的EDS分析結(jié)果表明，鉛在晶界處存在偏聚現(xiàn)象，這是導(dǎo)致該黃銅閥門晶界弱化的主要原因。加上熱鍛過(guò)程中產(chǎn)生的拉應(yīng)力或冷卻過(guò)程中的殘余應(yīng)力的作用，極易誘發(fā)沿晶裂紋的萌生和擴(kuò)展，最終導(dǎo)致斷裂失效。

熱脆機(jī)理分析

黃銅閥門沿晶開(kāi)裂主要是因?yàn)闊徨戇^(guò)程中發(fā)生了熱脆現(xiàn)象。黃銅的熱脆現(xiàn)象是指在熱加工過(guò)程中，由于低熔點(diǎn)共晶先熔化，導(dǎo)致黃銅晶界弱化或脆化，在外加應(yīng)力的作用下發(fā)生脆性斷裂。該閥門采用的黃銅原材料中鉛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為2％，而鉛在黃銅中的溶解度小于0.3％，大部分以游離的鉛顆粒形式存在于黃銅中。鉛與銅容易形成低熔點(diǎn)共晶組織，其共晶溫度僅為326℃。熱鍛過(guò)程為高溫?cái)D壓成型，在擠壓和冷卻過(guò)程中拉應(yīng)力的作用下，材料極易出現(xiàn)沿晶脆性斷裂，即熱脆現(xiàn)象。黃銅熱鍛過(guò)程中的熱脆現(xiàn)象與原材料的化學(xué)元素偏析、熱鍛過(guò)程中不合理的高溫停留時(shí)間、擠壓速度及冷卻速度有關(guān)。

結(jié)論及建議

該黃銅閥門失效模式為熱脆現(xiàn)象導(dǎo)致的沿晶開(kāi)裂失效。熱鍛過(guò)程中，不合理的熱鍛工藝導(dǎo)致鉛元素向晶界處聚集，形成富鉛的低熔點(diǎn)共晶相，在拉應(yīng)力作用下，形成沿晶微裂紋。裂紋從閥體表面應(yīng)力集中處起源，沿軸向擴(kuò)展，最終導(dǎo)致斷裂失效。

為預(yù)防熱鍛黃銅的熱脆現(xiàn)象，應(yīng)注意嚴(yán)格控制原材料的雜質(zhì)元素含量以減輕元素偏析；制定合理的熱鍛工藝，防止材料在300~400℃脆性溫度區(qū)間長(zhǎng)時(shí)間停留；降低擠壓速度和冷卻速度，以免產(chǎn)生較高的內(nèi)應(yīng)力。