QBe2鈹青銅插接件斷裂原因分析

魏彩麗， 張沈潔， 杜岡峰

(1. 第一拖拉機(jī)股份有限公司 制造工程中心， 河南 洛陽 471004；2. 洛陽市機(jī)械產(chǎn)品失效分析重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河南 洛陽 471004)

鈹青銅是一種性能非常優(yōu)良的銅基合金，具有高彈性、高硬度、高疲勞壽命等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)在撞擊和大電流情況下不會(huì)打火花，因此被廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品的彈性元器件上[1-6]。某單位所用的QBe2鈹青銅插接件在使用過程中發(fā)生斷裂，為了找到插接件斷裂的原因，作者對(duì)損壞零件進(jìn)行了斷裂失效分析和機(jī)理討論。

1 理化檢驗(yàn)及結(jié)果

1.1 宏觀形貌

損壞的插接件如圖1(a)所示，該零件選用材料為QBe2鈹青銅，經(jīng)過固溶時(shí)效處理。插接件的一個(gè)卡爪發(fā)生斷裂，如圖1(a)所示。在ZEISS SteREO Discovery.V8體式顯微鏡下觀察斷口，結(jié)果見圖1(b)。由圖1(b)可見，插接件斷口新鮮，呈一次性折斷特征，未發(fā)現(xiàn)原始缺陷的痕跡。

圖1 QBe2鈹青銅插接件的宏觀形貌(a)和斷口形貌(b)Fig.1 Macroscopic morphology(a) and fracture morphology(b) of the QBe2 beryllium bronze connector

1.2 化學(xué)成分

使用PRODIGY電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP)對(duì)損壞的插接件的化學(xué)成分進(jìn)行分析，測(cè)試結(jié)果如表1所示，滿足GB/T 2531—2001《加工銅及銅合金化學(xué)成分和產(chǎn)品形狀》中對(duì)QBe2鈹青銅化學(xué)成分的要求。

表1 QBe2鈹青銅插接件的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of the QBe2 beryllium bronze connector (mass fraction,%)

1.3 力學(xué)性能

依據(jù)圖紙技術(shù)要求，插接件硬度≥320 HV，維氏硬度檢測(cè)設(shè)備為HVS-5ZC維氏硬度計(jì)，試驗(yàn)載荷砝碼為0.5 kg，檢測(cè)3個(gè)部位，其結(jié)果為377、368和379 HV0.5，說明零件硬度滿足設(shè)計(jì)要求。

1.4 微觀形貌

采用ZEISS EVO 18型掃描電鏡對(duì)插接件的斷口進(jìn)行顯微觀察，形貌見圖2。由圖2(a，b)可以看出，零件斷口整體為沿晶斷裂特征，斷裂的晶面上有細(xì)小韌窩。使用掃描電鏡所配的Bruker Quantax X Flash 6能譜儀(EDS)對(duì)圖2(b)中晶界表面成分進(jìn)行檢查，EDS結(jié)果如圖2(c)所示。檢測(cè)結(jié)果基本上為Cu元素，有少量的Al元素，其余元素均在檢出范圍以下。

圖2 QBe2鈹青銅插接件斷口微觀形貌(a,b)及能譜分析(c)Fig.2 SEM morphologies(a,b) and EDS analysis results(c) of fracture on the QBe2 beryllium bronze connector

1.5 顯微組織

在斷口位置制取金相試樣，經(jīng)拋光后采用鹽酸三氯化鐵水溶液腐蝕，利用ZEISS Axio Scope. A1光學(xué)顯微鏡觀察其顯微組織。圖3為其斷口附近的顯微組織，為α相鈹青銅，晶粒粗大[7]。根據(jù)HB 7694—2001《鈹青銅金相分析方法》，鈹青銅正常固溶時(shí)效后晶粒尺寸為15～45 μm，而試樣個(gè)別極大的晶粒在200 μm以上，說明該零件存在固溶過熱現(xiàn)象[8-9]。

圖3 QBe2鈹青銅插接件顯微組織Fig.3 Microstructure of the QBe2 beryllium bronze connector

2 斷裂原因分析

上述檢測(cè)結(jié)果表明，插接件的硬度和化學(xué)成分均符合技術(shù)要求。

由掃描電鏡觀察，零件斷口為沿晶斷口，晶面上有細(xì)小的韌窩。EDS檢測(cè)結(jié)果顯示斷口上沒有異常成分。一般情況下，晶界結(jié)合力要高于晶內(nèi)結(jié)合力，正常情況不會(huì)出現(xiàn)沿晶斷口。沿晶開裂說明材料存在熱處理不當(dāng)或環(huán)境、應(yīng)力狀態(tài)等因素，使晶界被弱化為裂紋擴(kuò)展的優(yōu)先通道[10-11]。顯微組織檢測(cè)結(jié)果顯示零件存在固溶過熱缺陷，導(dǎo)致晶粒異常粗大，這種情況會(huì)導(dǎo)致材料韌性下降，晶界位置的強(qiáng)度低于晶粒內(nèi)部的強(qiáng)度，在受到外力作用下，晶界上會(huì)優(yōu)先以微孔的形式產(chǎn)生裂紋，進(jìn)而引起材料斷裂。

基于以上分析結(jié)果，為查找固溶溫度過高的具體原因，對(duì)熱處理現(xiàn)場(chǎng)的熱電偶進(jìn)行了校準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)熱電偶存在偏差。更換合格的熱電偶后，零件顯微組織檢測(cè)正常，未再發(fā)生零件斷裂故障。

3 結(jié)論及措施

1) QBe2鈹青銅插接件在固溶時(shí)效處理過程中，由于固溶溫度過高，導(dǎo)致材料存在晶粒粗大的缺陷，引起材料韌性下降，在正常使用條件下即發(fā)生斷裂。

2) QBe2鈹青銅插接件損壞是由于固溶處理時(shí)，熱電偶測(cè)溫不準(zhǔn)確導(dǎo)致固溶溫度過高。因此建議對(duì)熱電偶進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)和維護(hù)，以保證設(shè)備正常運(yùn)行。