熊顯渝

(重慶長安工業(yè)公司，重慶 401120)

某產(chǎn)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(shí)，肉眼發(fā)現(xiàn)該產(chǎn)品上的一個(gè)H68M黃銅部件，在零件局部較小區(qū)域內(nèi)，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(rèn)零件內(nèi)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(dǎo)致變形的驅(qū)動(dòng)力源頭。在此基礎(chǔ)上才有可能找到改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的方法措施，達(dá)到最終消除安全事故隱患的目的。

本試驗(yàn)立足于銅鋅合金形變過程中，會(huì)在規(guī)則排列的晶體結(jié)構(gòu)中萌生出位錯(cuò)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(jié)合的試驗(yàn)方法，借助微區(qū)硬度測試技術(shù)，對3種不同的形變樣品進(jìn)行分析比對。

1 試樣制備和試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)選用的3個(gè)樣品，分別取自不同形變類型失效產(chǎn)品。試樣制備方法如下:采用高頻電火花線切割機(jī)，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(jī)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(xì)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(xué)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(shí)，也采用相同的試樣，但需用銀粉導(dǎo)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(jì)，試驗(yàn)力為1.96 N。

參與3種模擬試驗(yàn)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(tái)左側(cè)的滑移帶呈“八”字走向

圖6 凸臺(tái)右側(cè)的滑移帶呈“八”字走向

圖7 凸臺(tái)左側(cè)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(nèi)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(tái)右側(cè)的滑移帶呈“八”字走向

圖11 凸臺(tái)軸心位置上端部分晶粒內(nèi)有滑移帶，無孿晶

圖13 火帽殼左外側(cè)肩邊緣，較大范圍內(nèi)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(cè)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(lǐng)域

圖17 凹坑中部和內(nèi)底面均無滑移帶，內(nèi)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(chǎn)品試樣的硬度值(HV0.2)如表5所示。

表5 3類產(chǎn)品試樣的硬度值

3 試驗(yàn)結(jié)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(jié)構(gòu)為面心立方;Zn的晶體結(jié)構(gòu)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(dāng)配位數(shù)為12時(shí))為12.8 nm、元素Zn的原子半徑(當(dāng)配位數(shù)為12時(shí))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(jié)構(gòu)與面心立方相近［1］。

具有面心立方結(jié)構(gòu)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(dāng)滑移面上大量的位錯(cuò)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(cuò)臺(tái)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(gè)原子間距。

試驗(yàn)中在顯微鏡和掃描電鏡下看到的是由許多滑移線構(gòu)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(gè)原子間距。相鄰2條滑移帶的間距約10000個(gè)原子間距，相當(dāng)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(shí)際寬度大一點(diǎn)。

參與試驗(yàn)的3個(gè)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(xì)晶粒的銅合金。晶粒越細(xì)，單位體積中的晶界面積越大，在切應(yīng)力作用下由于滑動(dòng)在晶界受阻，有利于位錯(cuò)的形成，導(dǎo)致應(yīng)力集中和基體硬化。

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

從應(yīng)力大小考慮，只有當(dāng)切向應(yīng)力大于(形成位錯(cuò)所需的)臨界分切應(yīng)力時(shí)，能形成位錯(cuò)。當(dāng)切向應(yīng)力小于(形成位錯(cuò)所需的)臨界分切應(yīng)力時(shí)，雖然不能形成位錯(cuò)，但仍會(huì)在一些晶粒內(nèi)形成孿晶。從結(jié)構(gòu)上說，孿晶由2個(gè)鏡面對稱的晶面構(gòu)成，通常有一個(gè)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(cuò)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(cuò)所需要的能量的二分之一。

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

3)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)位錯(cuò)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(guān)。即使在同一個(gè)微觀領(lǐng)域內(nèi)，并不是所有晶粒都會(huì)形成滑移線，而只有那些平行于表面的走向上切應(yīng)力最大，所以試驗(yàn)中觀察到的長、厚且密滑移帶總是出現(xiàn)在切應(yīng)變最大的表層，特別是在火帽殼凸臺(tái)的峰頂位置。孿晶出現(xiàn)在切應(yīng)變較小的區(qū)域，無切應(yīng)變的區(qū)域既無位錯(cuò)又無孿晶，而在切應(yīng)變較大區(qū)域，便是位錯(cuò)和孿晶的共生區(qū)。

目前銅中孿晶對硬度等力學(xué)性能的影響已有報(bào)道［3］，特別是當(dāng)孿晶片層厚度減小到納米級尺度對材料強(qiáng)韌性的影響更受到廣泛關(guān)注［4］。位錯(cuò)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(cuò)和孿晶的比例有關(guān)，位錯(cuò)所占的比例越大的區(qū)域，硬度升得越高，如本試驗(yàn)的3種試樣上，由于兩種晶體缺陷的配比不同，同一個(gè)樣品中硬度可相差36～50 HV。

4)從晶體結(jié)構(gòu)上說，位錯(cuò)形成是一種大量原子集團(tuán)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(cuò)線能夠聚合成宏觀可見的位錯(cuò)帶，屬于線缺陷。孿晶形成是部分原子圍繞共格界面集體轉(zhuǎn)動(dòng)，雖然單個(gè)原子移動(dòng)的距離只有一個(gè)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(dá)到原子間距的許多倍，從而使這種缺陷達(dá)到宏觀尺度，屬于面缺陷。

從能量上說，位錯(cuò)和孿晶均存在于晶體結(jié)構(gòu)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(chǎn)生微觀凹陷。前者給光學(xué)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(yàn)樣品剪切應(yīng)力的來源。試驗(yàn)樣品取自三種不同變形的火帽殼，在火帽殼與一個(gè)稱為三爪火臺(tái)的零件過盈緊配合，兩者之間有一個(gè)恒定的間隙，若點(diǎn)燃底火，則產(chǎn)生瞬間沖向殼底面的氣壓力，這種壓力對整個(gè)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(yīng)力，所以3個(gè)樣品在這個(gè)部位并未顯示出位錯(cuò)和孿晶。

火帽殼外側(cè)底面與內(nèi)底面不同:外底面承受一個(gè)高硬度零件的快速撞擊，形成一個(gè)小凹坑(也可理解為外底面上凹坑的產(chǎn)生必然存在一個(gè)沖擊載荷)。在弧形凹陷面上各個(gè)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(tái)位置，以切應(yīng)力為主，位錯(cuò)密度最高;而凹面底部相當(dāng)于軸心部位，以壓應(yīng)力為主，兩者之間有一些切應(yīng)力，所以該處也會(huì)出現(xiàn)一些位錯(cuò)滑移線。

6)本研究的試驗(yàn)結(jié)果對本次安全事故原因分析至關(guān)重要，作為實(shí)際應(yīng)用往往是對實(shí)驗(yàn)結(jié)果逆向思維，即將觀察到的火帽殼縱向剖面上的位錯(cuò)、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?shí)驗(yàn)結(jié)果，曾經(jīng)眾說紛紜的"火帽殼有沒有承受過應(yīng)力?"等等疑點(diǎn)，就會(huì)迎刃而解了。這也是本次試驗(yàn)方法的設(shè)計(jì)思路。

采用本文介紹的試驗(yàn)方法，可以實(shí)實(shí)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(xué)顯微鏡雖然成像原理不同，但是最終獲得的試驗(yàn)結(jié)果幾乎完全吻合。這表明零件變形區(qū)內(nèi)的晶體缺陷確實(shí)存在，觀察到的圖像具有可信性。

4 結(jié)論

1)具有面心立方的H68M黃銅樣品，晶體結(jié)構(gòu)中的位錯(cuò)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(yīng)力大小、方向有密切的關(guān)系。所以可根據(jù)試驗(yàn)獲得的晶體缺陷的數(shù)量、分布和類型，推算外載荷的有關(guān)信息。本實(shí)驗(yàn)在方法上具有某些獨(dú)創(chuàng)性。本文試驗(yàn)研究了一種將光學(xué)金相、電子金相和硬度測試相結(jié)合的綜合實(shí)驗(yàn)方法，該方法立足于較成熟的晶體位錯(cuò)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(shí)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(jié)構(gòu)上看，必然會(huì)在原來規(guī)則排列的晶體點(diǎn)陣中產(chǎn)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(cuò)和孿晶。根據(jù)這一理論，本試驗(yàn)比較詳盡地觀察比對了三個(gè)樣品在各個(gè)部位的位錯(cuò)線和孿晶的數(shù)量、分布和走向特征，表明參與本試驗(yàn)的三種類型的樣品的晶體結(jié)構(gòu)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(yán)重程度上有所區(qū)別。

3)本試驗(yàn)證實(shí)了在一個(gè)無法觀察到的密閉空間內(nèi)，兩個(gè)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(dǎo)火線)。這一發(fā)現(xiàn)其重要性是不言而喻的，因?yàn)樗粌H轉(zhuǎn)變了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)思路，而且為改進(jìn)設(shè)計(jì)、最終消除安全事故隱患指明了方向和途徑，也為重點(diǎn)產(chǎn)品的國產(chǎn)化作了貢獻(xiàn)。

［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(xué)和電學(xué)性能影響的研究進(jìn)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(xué)報(bào)，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(xué)出版社，1988：12-15.