H68M黃銅微區(qū)塑性變形行為研究

熊顯渝

(重慶長安工業(yè)公司，重慶 401120)

某產品在使用過程中發(fā)生了多起重大安全事故，在事故原因分析時，肉眼發(fā)現(xiàn)該產品上的一個H68M黃銅部件，在零件局部較小區(qū)域內，多次呈現(xiàn)出與正常變形不一致的異常塑性變形。

首先需要確認零件內部是否存在異常塑形變形的特征信息，弄清異常變形(微觀)區(qū)域的位置、大小和分布等特征，才能順藤摸瓜探索這種導致變形的驅動力源頭。在此基礎上才有可能找到改進產品設計的方法措施，達到最終消除安全事故隱患的目的。

本試驗立足于銅鋅合金形變過程中，會在規(guī)則排列的晶體結構中萌生出位錯和孿晶缺陷的物理冶金理論，采用了金相顯微組織觀察和掃描電子顯微鏡二次電子圖像分析相結合的試驗方法，借助微區(qū)硬度測試技術，對3種不同的形變樣品進行分析比對。

1 試樣制備和試驗方法

本試驗選用的3個樣品，分別取自不同形變類型失效產品。試樣制備方法如下:采用高頻電火花線切割機，先在成品尾端面變形區(qū)域的中心部位，切取寬度約為5 mm的縱截面樣品。然后用金相樣品鑲嵌機將樣品制成直徑為22 mm、高為12 mm的圓柱形試樣，經(jīng)粗磨、細磨、拋光等一系列工序，獲得平整、無形變層的光亮表面 。最后經(jīng)氯化高鐵、鹽酸水溶液輕微浸蝕。

經(jīng)淺浸蝕的金相試樣在LEICA型光學顯微鏡下用明場觀察，放大倍率500×。在掃描電子顯微鏡的二次電子圖像觀察(放大倍率500×～1000×)時，也采用相同的試樣，但需用銀粉導電膠將用塑料粉鑲嵌的金屬試樣接地，以降低吸收、透射類電子的干擾，提高圖像清晰度。硬度測試在型號為ZWICK-3212002的維氏硬度計，試驗力為1.96 N。

參與3種模擬試驗試樣的受力和變形類型見表1。

表1 3類變形底火的幾何外形和形成條件

圖1 Ⅰ型火帽殼外底面變形后的形貌

圖2 Ⅱ型火帽殼外底面變形后的形貌

圖3 Ⅲ型火帽殼外底面變形后的形貌

2 3種類型金相試樣的微觀變形特征

1)Ⅰ型火帽殼軸向剖面塑性變形特征見示意圖4所示，金相試樣的變形特征見表2所示。

圖4 Ⅰ型火帽殼軸向剖面塑性變形示意圖

表2 Ⅰ型金相試樣的變形特征

圖5 凸臺左側的滑移帶呈“八”字走向

圖6 凸臺右側的滑移帶呈“八”字走向

圖7 凸臺左側的滑移帶呈“八”字走向

圖8 軸心位置下端無滑移帶，部分晶粒內有孿晶

2)Ⅱ型火帽殼軸向剖面塑性變形特征見示意圖9所示，金相試樣的變形特征見表3所示。

圖9 Ⅱ型火帽殼軸向剖面塑性變形示意圖

金相試樣的變形特征見表3所示。

表3 Ⅱ型金相試樣的變形特征

圖10 凸臺右側的滑移帶呈“八”字走向

圖11 凸臺軸心位置上端部分晶粒內有滑移帶，無孿晶

圖13 火帽殼左外側肩邊緣，較大范圍內覆蓋滑移帶

3)Ⅲ型型火帽殼軸向剖面塑性變形特征見示意圖14所示，金相試樣的變形特征見表4所示。

圖14 Ⅲ型火帽殼軸向剖面塑性變形示意圖

表4 Ⅲ型金相試樣的變形特征

圖15 凹坑右側表層有少量不連續(xù)的滑移帶

圖16 凹坑軸心位置中部呈分散分布的滑移領域

圖17 凹坑中部和內底面均無滑移帶，內層出現(xiàn)較多孿晶

圖18 底部無滑移帶，有較多孿晶

4)經(jīng)不同變形的3類產品試樣的硬度值(HV0.2)如表5所示。

表5 3類產品試樣的硬度值

3 試驗結果的分析和討論

1)H68M黃銅是一種含32%Zn和68%Cu的Cu-Zn兩元合金，由于元素Cu的晶體結構為面心立方;Zn的晶體結構為密排六方，2種組元的晶格類型不同，形成有限固溶體。Cu的原子半徑(當配位數(shù)為12時)為12.8 nm、元素Zn的原子半徑(當配位數(shù)為12時)為13.8 nm，這2種組元的原子半徑相近，形成置換式固溶體。元素Cu是溶劑，所以H68M黃銅的晶體結構與面心立方相近［1］。

具有面心立方結構的金屬在外力作用下，由于滑移系多，容易沿特定的平面發(fā)生塑形變形。當滑移面上大量的位錯移出后，則在晶體表面形成一條條滑移線，使光滑表面變得粗糙?；凭€是由一組相互平行的位錯臺階痕(線)組成。高分辨率電子顯微鏡觀察到相鄰兩條滑移線間距約100個原子間距。

試驗中在顯微鏡和掃描電鏡下看到的是由許多滑移線構成的滑移帶，滑移帶的走向與試樣表面大致平行。單條滑移帶寬度大約1000個原子間距。相鄰2條滑移帶的間距約10000個原子間距，相當于肉眼的分辨率0.2 mm。試樣經(jīng)輕腐蝕后，觀察到的滑移帶比實際寬度大一點。

參與試驗的3個試樣的平均晶粒度，根據(jù)GB/T6394—2002第2級別圖［2］都評為9級，屬于細晶粒的銅合金。晶粒越細，單位體積中的晶界面積越大，在切應力作用下由于滑動在晶界受阻，有利于位錯的形成，導致應力集中和基體硬化。

2)應力類型和應力大小與晶體缺陷的關系。從外加的應力類型來說，只有剪切應力才能形成位錯和孿晶缺陷。變形區(qū)內的壓應力，其變形效果實質上是造成整塊基體的平移，在基體內部之間并不發(fā)生相對位移，沒有切應力，形成不了位錯。如火帽殼內底面雖然受到超強氣壓瞬間壓應力作用，由于沒有切應力(或分量)，所以底表層基體中沒有位錯，硬度也不會明顯升高。

從應力大小考慮，只有當切向應力大于(形成位錯所需的)臨界分切應力時，能形成位錯。當切向應力小于(形成位錯所需的)臨界分切應力時，雖然不能形成位錯，但仍會在一些晶粒內形成孿晶。從結構上說，孿晶由2個鏡面對稱的晶面構成，通常有一個共格界面。從能量上說，形成共格型界面所需要的能量僅為形成位錯所需要的能量的十分之一 ，形成半共格界面能量也僅為形成位錯所需要的能量的二分之一。

在火帽殼凸臺峰頂位置，因切應力很大，全部被位錯線占領，位錯線茂密，基體硬度升高，但看不到孿晶;隨著離凸臺峰頂位置漸遠，切應力逐漸減少，位錯密度越來越小，直至消失。但這時的切應力大小，給孿晶的形成提供了足夠的空間。

3)試驗發(fā)現(xiàn)位錯線和孿晶在樣品中的形成和分布，與晶體在空間中所處的位向有關。即使在同一個微觀領域內，并不是所有晶粒都會形成滑移線，而只有那些平行于表面的走向上切應力最大，所以試驗中觀察到的長、厚且密滑移帶總是出現(xiàn)在切應變最大的表層，特別是在火帽殼凸臺的峰頂位置。孿晶出現(xiàn)在切應變較小的區(qū)域，無切應變的區(qū)域既無位錯又無孿晶，而在切應變較大區(qū)域，便是位錯和孿晶的共生區(qū)。

目前銅中孿晶對硬度等力學性能的影響已有報道［3］，特別是當孿晶片層厚度減小到納米級尺度對材料強韌性的影響更受到廣泛關注［4］。位錯和孿晶缺陷均能不同程度地升高基體硬度，硬度分布與位錯和孿晶的比例有關，位錯所占的比例越大的區(qū)域，硬度升得越高，如本試驗的3種試樣上，由于兩種晶體缺陷的配比不同，同一個樣品中硬度可相差36～50 HV。

4)從晶體結構上說，位錯形成是一種大量原子集團以原子間距整數(shù)倍的距離集體遷移的行為;所以微觀存在的位錯線能夠聚合成宏觀可見的位錯帶，屬于線缺陷。孿晶形成是部分原子圍繞共格界面集體轉動，雖然單個原子移動的距離只有一個原子間距的幾分之一，但眾多原子累積起來的切變位移，仍可以達到原子間距的許多倍，從而使這種缺陷達到宏觀尺度，屬于面缺陷。

從能量上說，位錯和孿晶均存在于晶體結構畸變區(qū)，該處原子排列具有不同程度的紊亂現(xiàn)象，與無晶體缺陷處的基體相比，具有較高的位能。這些區(qū)域更易受到浸蝕劑的腐蝕，所以經(jīng)輕腐蝕的金相試樣面上，不但缺陷部位顏色較深，而且在缺陷部位產生微觀凹陷。前者給光學顯微鏡觀察帶來襯度，后者造成的高度差，恰恰是掃描電鏡中二次電子圖像清晰成像所必須的［5］。

5)試驗樣品剪切應力的來源。試驗樣品取自三種不同變形的火帽殼，在火帽殼與一個稱為三爪火臺的零件過盈緊配合，兩者之間有一個恒定的間隙，若點燃底火，則產生瞬間沖向殼底面的氣壓力，這種壓力對整個底面接近于平均分布，表層基體幾乎沒有相對位移，不發(fā)生切變，沒有切應力，所以3個樣品在這個部位并未顯示出位錯和孿晶。

火帽殼外側底面與內底面不同:外底面承受一個高硬度零件的快速撞擊，形成一個小凹坑(也可理解為外底面上凹坑的產生必然存在一個沖擊載荷)。在弧形凹陷面上各個不同部位，則受到大小和方向不同的瞬間沖擊力:凹面邊緣即凸臺位置，以切應力為主，位錯密度最高;而凹面底部相當于軸心部位，以壓應力為主，兩者之間有一些切應力，所以該處也會出現(xiàn)一些位錯滑移線。

6)本研究的試驗結果對本次安全事故原因分析至關重要，作為實際應用往往是對實驗結果逆向思維，即將觀察到的火帽殼縱向剖面上的位錯、孿晶缺陷的多寡、分布狀況及其變化規(guī)律，反推基體金屬中形變部位曾經(jīng)遭受過的外載荷大小、方向和分布等重要信息?；诒敬螌嶒灲Y果，曾經(jīng)眾說紛紜的"火帽殼有沒有承受過應力?"等等疑點，就會迎刃而解了。這也是本次試驗方法的設計思路。

采用本文介紹的試驗方法，可以實實在在地觀察到基體中易被人忽視的滑移線和孿晶。值得欣慰的是，掃描電子顯微鏡和光學顯微鏡雖然成像原理不同，但是最終獲得的試驗結果幾乎完全吻合。這表明零件變形區(qū)內的晶體缺陷確實存在，觀察到的圖像具有可信性。

4 結論

1)具有面心立方的H68M黃銅樣品，晶體結構中的位錯滑移線和孿晶缺陷的數(shù)量、分布和類型與所承受的剪切應力大小、方向有密切的關系。所以可根據(jù)試驗獲得的晶體缺陷的數(shù)量、分布和類型，推算外載荷的有關信息。本實驗在方法上具有某些獨創(chuàng)性。本文試驗研究了一種將光學金相、電子金相和硬度測試相結合的綜合實驗方法，該方法立足于較成熟的晶體位錯理論，對深入研究H68M黃銅的冷變形微觀行為，提供了一種較為實用可靠的方法。

2)凡經(jīng)歷過冷變形的H68M黃銅，在微觀晶體結構上看，必然會在原來規(guī)則排列的晶體點陣中產生晶體缺陷，對于具有面心立方的銅-鋅合金來說，缺陷的類型主要是位錯和孿晶。根據(jù)這一理論，本試驗比較詳盡地觀察比對了三個樣品在各個部位的位錯線和孿晶的數(shù)量、分布和走向特征，表明參與本試驗的三種類型的樣品的晶體結構中，都存在微觀變形的蹤跡。只是在變形微區(qū)的不同部位，隨著變形方向和大小的不同，呈現(xiàn)出缺陷的數(shù)量、種類、分布和嚴重程度上有所區(qū)別。

3)本試驗證實了在一個無法觀察到的密閉空間內，兩個過盈配合的零件之間竟然發(fā)生了不該發(fā)生的相對位移(是本次重大安全事故的導火線)。這一發(fā)現(xiàn)其重要性是不言而喻的，因為它不僅轉變了產品的設計思路，而且為改進設計、最終消除安全事故隱患指明了方向和途徑，也為重點產品的國產化作了貢獻。

［1］北京鋼鐵研究總院.合金鋼手冊：上冊第一分冊［M］.北京：中國工業(yè)出版社，1971.

［2］GB/T6394—2002，金屬平均晶粒度測定方法［S］.

［3］陳先華.孿晶對Cu的力學和電學性能影響的研究進展［J］.材料工程，2011(9)：87-91.

［4］盧磊，盧柯.納米孿晶金屬材料［J］.金屬學報，2010，46(11)：1422-1427.

［5］張清敏.掃描電子顯微鏡和X射線微區(qū)分析［M］.天津：南開大學出版社，1988：12-15.