分水器銅閥斷裂原因分析

吳文祥++尚燦++陳旭東++洪松

摘 要：鉛黃銅因具有優(yōu)良切削性能、耐磨性能且成本低廉而廣泛應(yīng)用于各類閥體中。銅閥在使用過(guò)程中，會(huì)受到內(nèi)應(yīng)力和工作應(yīng)力的共同作用，一旦斷裂失效會(huì)造成漏水事故的發(fā)生，產(chǎn)生嚴(yán)重后果。采用金相檢驗(yàn)、硬度測(cè)試等方法對(duì)分水器銅閥斷裂原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，由于銅閥顯微組織中β相晶粒異常粗大，造成銅閥硬度增大、脆性增加，導(dǎo)致銅閥在加工及后續(xù)使用過(guò)程中產(chǎn)生裂紋而發(fā)生脆性斷裂。

關(guān)鍵詞：銅閥；富鉛相；斷裂

中圖分類號(hào)：TG146.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）01-0079-02

鉛黃銅因具有優(yōu)良切削性能、耐磨性能且成本低廉而廣泛應(yīng)用于各類閥體中。銅閥在使用過(guò)程中，會(huì)受到內(nèi)應(yīng)力和工作應(yīng)力的共同作用，一旦斷裂失效會(huì)造成漏水事故的發(fā)生，產(chǎn)生嚴(yán)重后果。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)銅閥斷裂原因進(jìn)行了大量研究[1-3]。陳彩霞等人[1]發(fā)現(xiàn)鉛黃銅閥蓋熱處理不當(dāng)，顯微組織α相沿著晶界呈網(wǎng)狀分布，導(dǎo)致RHPb56-4鉛黃銅空調(diào)水閥門(mén)在使用5個(gè)月后發(fā)生斷裂。莫明珍等人[2]研究發(fā)現(xiàn)，ZHPb59-1銅閥在加工應(yīng)力和安裝應(yīng)力的共同作用下，在潮濕的環(huán)境中短期會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

某型號(hào)地暖分水器銅閥在使用過(guò)程中發(fā)生斷裂，造成漏水事故。為了探明該銅閥斷裂的原因，本文對(duì)其進(jìn)行了斷裂失效分析。

1 試驗(yàn)材料與方法

斷裂失效的分水器銅閥宏觀形貌如圖1所示。將銅閥從左到右依次編號(hào)，分別為1#～6#，其中4#銅閥在螺紋處發(fā)生斷裂，其余銅閥連接完好。對(duì)4#銅閥進(jìn)行外觀檢查，未發(fā)現(xiàn)其表面存在變形、劃傷等明顯外力作用痕跡。為了分析4#銅閥斷裂原因，隨機(jī)選取5#銅閥與4#銅閥作比對(duì)分析，對(duì)5#銅閥進(jìn)行外力破壞試驗(yàn)，使其在螺紋處發(fā)生斷裂。對(duì)4#銅閥和5#銅閥的斷口形貌、金相組織以及硬度進(jìn)行比對(duì)分析。采用OLYMPUS BX51M光學(xué)顯微鏡和HVS-10維氏硬度計(jì)分別對(duì)銅閥螺紋處進(jìn)行金相組織和維氏硬度檢驗(yàn)。采用單反相機(jī)和 LEICA S8APO體視顯微鏡對(duì)銅閥斷口進(jìn)行宏觀分析。斷口微觀形貌觀察和能譜分析在HITACHI S-4800掃描電子顯微鏡上進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 化學(xué)成分分析

將4#、5#銅閥切割、研磨、拋光后，依據(jù)GB/T 17359-2012《微束分析能譜法定量分析》采用掃描電子顯微鏡附帶的X射線能譜儀對(duì)銅閥材料進(jìn)行成分分析，分析范圍為200×300μm，采集時(shí)間為100s，檢測(cè)結(jié)果如表1所示。由表1可知，4#、5#銅閥中Cu、Zn、Pb元素含量較為接近，4#銅閥中Sn含量高于5#銅閥。由于能譜分析區(qū)域較小，無(wú)法準(zhǔn)確反映銅閥的實(shí)際成分，但由能譜分析結(jié)果可知，4#、5#銅閥均為鉛黃銅。

2.2 斷口分析

對(duì)4#銅閥斷口進(jìn)行宏觀檢查發(fā)現(xiàn)，斷口位于銅閥連接的螺紋部位，斷口部位未見(jiàn)明顯塑性變形，斷口表面凹凸不平，如圖2（a）所示。5#銅閥斷口為外力破壞斷口，其宏觀形貌如圖2（b）所示?？梢钥闯?，5#銅閥斷口與4#銅閥斷口明顯不同，5#銅閥斷口較為平齊，無(wú)明顯氧化和腐蝕現(xiàn)象。

采用體視顯微鏡對(duì)圖2中4#銅閥斷口A區(qū)和B區(qū)進(jìn)一步放大觀察，如圖3所示。A區(qū)存在明顯放射狀形貌，為斷裂源區(qū)，B區(qū)為相鄰螺紋根部連接處，為最后斷裂區(qū)。對(duì)圖2中C區(qū)進(jìn)行掃描電子顯微鏡觀察，如圖4所示?？梢钥闯?，存在解理扇形花樣，為典型的脆性斷口特征。從扇形花樣可以看出，裂紋擴(kuò)展方向?yàn)橛缮贤聰U(kuò)展。同時(shí)，在高倍掃描電鏡下可以觀察到大量平行的二次裂紋和孔洞，如圖4（b）所示。

為了探明孔洞的形成原因，將4#銅閥切割、研磨、拋光后在掃描電子顯微鏡高倍下觀察，如圖5所示。可以看出，4#銅閥基體內(nèi)存在大量彌散分布、尺寸較小的第二相顆粒，這些顆粒尺寸一般在2μm以下。能譜分析表明，這些第二相顆粒為富鉛相。4#銅閥發(fā)生脆性斷裂后，斷口上富鉛相脫落，形成圖4（b）中所示的孔洞形貌。

對(duì)圖2中5#銅閥D區(qū)斷口進(jìn)行微觀觀察，如圖6所示。從圖6可以看出，5#銅閥與4#銅閥微觀斷口形貌顯著不同，5#銅閥斷口出現(xiàn)大量韌窩，為典型的韌性斷口特征。同時(shí)，幾乎每個(gè)韌窩中都存在第二相顆粒，這些顆粒尺寸一般在2μm以下。對(duì)圖6中白色箭頭所指的顆粒進(jìn)行能譜分析表明，這些顆粒中鉛含量很高，為富鉛相。

2.3 金相檢驗(yàn)

對(duì)4#、5#銅閥斷口附近部位進(jìn)行金相檢驗(yàn)，結(jié)果如圖7所示，其中灰色相為β相，白色相為α相，黑色顆粒為富鉛相。由圖7可以看出，4#、5#銅閥的相組成均為α+β+Pb相，但4#銅閥顯微組織與5#銅閥明顯不同。4#銅閥顯微組織中β相晶粒異常粗大，α相呈針狀、塊狀沿β相晶界及晶內(nèi)析出，而5#銅閥顯微組織中β相和α相數(shù)量較為均衡，組織較為細(xì)密。

2.4 硬度測(cè)試

依據(jù)GB/T 4340.1-2009《金屬材料維氏硬度試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法》對(duì)4#、5#銅閥硬度進(jìn)行測(cè)試。檢測(cè)結(jié)果顯示，4#銅閥硬度達(dá)到158HV5，而5#銅閥硬度僅為130HV5。

3 分析與討論

由能譜分析結(jié)果可知，4#斷裂銅閥和5#未斷裂銅閥的材料均為鉛黃銅，兩者基體中均含有大量尺寸較小、彌散分布的富鉛相。鉛幾乎不固溶于銅-鋅合金中，經(jīng)過(guò)壓力加工，鉛以游離的質(zhì)點(diǎn)分布于固溶體內(nèi)，游離的鉛質(zhì)點(diǎn)具有潤(rùn)滑和減磨的作用，故鉛黃銅具有極高的切削性能，適宜于自動(dòng)高速車(chē)床加工零件[4]。但如果銅閥材料中的鉛分布不均勻，發(fā)生偏析，形成大量條狀聚集的粗大游離鉛組織，會(huì)造成材料強(qiáng)度嚴(yán)重下降，易導(dǎo)致銅閥斷裂[5]。從4#、5#銅閥中富鉛相的形貌和分布可以看出，富鉛相都呈細(xì)小、彌散分布，因此，銅閥斷裂與富鉛相無(wú)關(guān)。

由金相檢驗(yàn)結(jié)果可知，4#銅閥顯微組織為粗大的β相+呈針狀、塊狀沿β相晶界及晶內(nèi)析出的α相+游離Pb相，而5#銅閥顯微組織中α相、β相較為細(xì)小、均勻。由于室溫下β相為硬脆相，所以4#銅閥的硬度明顯比5#銅閥的硬度高。由斷口分析可知，4#銅閥斷口為脆性斷口，5#銅閥在外力作用下的斷口為韌性斷口。

通過(guò)上述分析，可以推斷銅閥斷裂的主要原因是：由于銅閥顯微組織中β相晶粒異常粗大，造成銅閥硬度增大、脆性增加，導(dǎo)致銅閥在加工及后續(xù)使用過(guò)程中產(chǎn)生裂紋而發(fā)生脆性斷裂。

4 結(jié)語(yǔ)

分水器銅閥的斷裂屬于脆性斷裂。由于銅閥顯微組織中β相晶粒異常粗大，造成銅閥硬度增大、脆性增加，是銅閥發(fā)生脆性斷裂的根本原因。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳彩霞，鄭楊艷.空調(diào)水銅閥斷裂原因分析及預(yù)防[J].金屬熱處理，2015.

[2]莫明珍等.銅閥應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂分析[J].熱加工工藝，2014.

[3]張鳴等.鉛黃銅閥體開(kāi)裂原因分析[J].材料研究與應(yīng)用，2009.