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        軍用H62黃銅罐開裂原因

        2021-06-07 07:56:06王嵩蒲尉成棟于玲君
        理化檢驗(yàn)(物理分冊(cè)) 2021年5期
        關(guān)鍵詞:裂紋方向分析

        徐 幸, 徐 斌, 王嵩蒲, 尉成棟, 于玲君

        (杭州制氧機(jī)集團(tuán)股份有限公司, 杭州 310000)

        黃銅由于其良好的導(dǎo)熱性、耐腐蝕性及塑性,被大量使用在蒸發(fā)器、熱交換器等傳熱設(shè)備中。某工廠為制造一個(gè)小型冷凝蒸發(fā)器中的黃銅罐,采購了一批退火處理的H62黃銅板,板厚為4.5 mm,將其卷制加工成罐體,然后在罐體一側(cè)以機(jī)械方式打出一個(gè)直徑約為40 mm的孔洞,并與外徑為40 mm的黃銅管采用銀焊工藝焊接成形(焊接后未進(jìn)行去應(yīng)力退火處理)。為了檢驗(yàn)黃銅罐的承壓能力,隔天對(duì)焊接后的罐體進(jìn)行水壓試驗(yàn)(試驗(yàn)壓力為1.3 MPa,保壓120 min),試驗(yàn)結(jié)果合格后收入倉庫。但在倉庫靜置一段時(shí)間后,多個(gè)黃銅罐于罐體孔洞附近出現(xiàn)開裂現(xiàn)象,為找到該黃銅罐水壓試驗(yàn)后開裂的原因,筆者進(jìn)行了一系列理化檢驗(yàn)與分析。

        1 理化檢驗(yàn)

        1.1 宏觀分析

        隨機(jī)取一個(gè)開裂黃銅罐并對(duì)其進(jìn)行觀察,其宏觀形貌如圖1所示,可見該罐體上的裂紋長約為6.5 mm。

        圖1 開裂黃銅罐體孔洞附近的整體形貌Fig.1 Overall morphology of cracked brass tank near the hole

        沿圖1上方箭頭所標(biāo)識(shí)的裂紋觀察方向?qū)﹂_裂黃銅罐的裂紋起源區(qū)進(jìn)行觀察,其宏觀形貌如圖2所示??梢娏鸭y起源區(qū)是罐體機(jī)械打孔后的受力變形區(qū),也是后續(xù)焊接的熱影響區(qū)。由于在整個(gè)加工成形過程中均未進(jìn)行去應(yīng)力退火,造成機(jī)械打孔殘余的機(jī)械應(yīng)力和焊接后殘余的焊接熱應(yīng)力都集中在該區(qū)域,導(dǎo)致裂紋在此處萌生,延伸至罐體,隨后沿垂直于殘余應(yīng)力的方向擴(kuò)展,且裂紋附近沒有塑性變形痕跡[1-2],殘余應(yīng)力的方向如圖1下方箭頭所示。

        圖2 開裂黃銅罐裂紋起源區(qū)宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of crack origin area of cracked brass tank

        1.2 化學(xué)成分分析

        在開裂黃銅罐的裂紋附近取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示??芍浠瘜W(xué)成分滿足GB/T 5231-2012《加工銅及銅合金牌號(hào)和化學(xué)成分》對(duì)H62黃銅的技術(shù)要求。

        表1 開裂黃銅罐的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of cracked brasstank (mass fraction) %

        1.3 金相檢驗(yàn)及顯微硬度測(cè)試

        為判斷開裂黃銅罐的顯微組織中是否存在不良組織,如偏析、晶粒粗大等,在開裂黃銅罐遠(yuǎn)離裂紋處取樣進(jìn)行金相檢驗(yàn),其顯微組織形貌如圖3所示。同時(shí)對(duì)圖3位置進(jìn)行顯微硬度測(cè)試,可知亮白色等軸晶顯微硬度為72~85 HV0.5;深色網(wǎng)狀組織顯微硬度為116~130 HV0.5。參考《銅及銅合金金相圖譜》[3]及相關(guān)文獻(xiàn)[4]可以判斷,該黃銅罐的顯微組織為α+β相,其中部分區(qū)域的β相呈網(wǎng)狀分布在α相晶界,整體晶粒度為6級(jí),且晶粒細(xì)小、均勻,無異常組織。

        圖3 開裂黃銅罐遠(yuǎn)離裂紋處的顯微組織形貌Fig.3 Microstructure morphology of cracked brass tank faraway from crack

        為觀察裂紋深度方向的形貌,在裂紋處沿罐體壁厚方向取橫截面試樣并進(jìn)行金相檢驗(yàn),其顯微組織形貌如圖4所示。

        可見裂紋附近,靠近罐體外表面的α相保持完好,β相則被嚴(yán)重腐蝕,造成局部顯微組織呈魚鱗狀,有浮突層次感;裂紋為明顯的沿晶裂紋,即沿晶間分布的β相開裂;裂紋起始于黃銅罐外表面,沿壁厚方向擴(kuò)展,裂紋尾端有分叉。

        H62黃銅的含鋅量較高(質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于30%),多余的鋅元素以β相(以CuZn為基的固溶體)存在。在水環(huán)境(潮濕環(huán)境)中,β相可發(fā)生選擇性脫鋅腐蝕,而含銅量較高的α相則相對(duì)穩(wěn)定,最后在應(yīng)力作用下沿β相開裂[4-8],與該開裂黃銅罐的裂紋形貌特征及所處的潮濕環(huán)境吻合。

        1.4 掃描電鏡及能譜分析

        為進(jìn)一步分析裂紋的形貌特征,沿裂紋擴(kuò)展方向?qū)㈤_裂黃銅罐剖開,然后采用掃面電鏡(SEM)觀察裂紋的剖面,SEM形貌如圖5所示??梢姽摅w裂紋處外表面呈明顯的冰糖狀,確認(rèn)其為沿晶(β相)開裂,冰糖狀凸起為α相[4]。

        圖5 開裂黃銅罐裂紋剖面的SEM形貌Fig.5 SEM morphology of crack section in cracked brass tank

        為驗(yàn)證β相是否發(fā)生了選擇性脫鋅腐蝕,在圖5 SEM觀察位置附近隨機(jī)選取多個(gè)區(qū)域進(jìn)行銅、鋅元素的能譜(EDS)面掃描分析,結(jié)果如表2所示。

        表2 裂紋剖面不同位置的EDS分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.2 EDS analysis results at different positions ofcrack section (mass fraction) %

        根據(jù)表1黃銅罐化學(xué)成分分析結(jié)果可知,其銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為60%,鋅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為40%,而表2 EDS分析結(jié)果顯示,裂紋近外表面的鋅元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于40%,證明β相開始發(fā)生脫鋅腐蝕。

        此外,進(jìn)行EDS掃描時(shí),在裂紋剖面、靠近罐體外表面發(fā)現(xiàn)完全脫鋅點(diǎn),如圖6所示。對(duì)圖6標(biāo)記的位置進(jìn)行EDS點(diǎn)掃描分析,可見該位置銅元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為100%,判斷是脫鋅腐蝕之后的β相殘留。

        圖6 開裂黃銅罐裂紋剖面近外表面的完全脫鋅點(diǎn)Fig.6 Complete dezincification point near the outer surface ofcrack section of cracked brass tank

        1.5 低倍檢驗(yàn)

        采用體視顯微鏡對(duì)開裂黃銅罐外表面進(jìn)行觀察,其低倍形貌如圖7所示。

        圖7 開裂黃銅罐外表面不同放大倍數(shù)的形貌Fig.7 Morphology of the outer surface of cracked brasstank with different magnification:a) at high magnification; b) at low magnification

        可見黃銅罐外表面β相被腐蝕破壞,留下等軸晶形狀的α相和腐蝕凹痕??s小放大倍數(shù)發(fā)現(xiàn),腐蝕凹痕沿垂直于殘余應(yīng)力的方向形成一定走勢(shì),與裂紋的擴(kuò)展方向吻合。

        2 分析與討論

        通過理化檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)黃銅罐的化學(xué)成分合格、顯微組織正常,且裂紋由罐體外表面向內(nèi)擴(kuò)展,所以可以排除材料自身存在問題的可能性。

        開裂黃銅罐表面有明顯的β相選擇性脫鋅腐蝕痕跡,當(dāng)含鋅量較高時(shí),β相中的鋅元素會(huì)在潮濕壞境下優(yōu)先析出,留下多孔狀的銅組織,降低黃銅的力學(xué)性能。通過檢查生產(chǎn)工藝和加工流程可以發(fā)現(xiàn),罐體局部在機(jī)械打孔與焊接后,未進(jìn)行去應(yīng)力退火處理,會(huì)引起殘余應(yīng)力集中。當(dāng)殘余應(yīng)力超過黃銅表面承受能力時(shí),裂紋開始萌生,并沿著垂直于殘余應(yīng)力的方向擴(kuò)展,露出β相,并發(fā)生脫鋅腐蝕,最終導(dǎo)致沿晶脆性開裂[9]。

        3 結(jié)論及建議

        H62黃銅罐發(fā)生了應(yīng)力腐蝕開裂,開裂的原因一方面是黃銅鋅含量較高,使其顯微組織中形成了β相,β相遇純水或潮濕環(huán)境可發(fā)生選擇性脫鋅腐蝕,降低黃銅的力學(xué)性能。另一方面,該H62黃銅罐在機(jī)械打孔及焊接后未進(jìn)行去應(yīng)力退火處理,形成局部殘余應(yīng)力集中。正常情況下,這種應(yīng)力不會(huì)

        立即破壞材料,但是當(dāng)黃銅罐的力學(xué)性能因β相脫鋅而顯著下降時(shí),就會(huì)產(chǎn)生裂紋,最終導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕開裂。

        建議H62黃銅在加工時(shí),及時(shí)進(jìn)行去應(yīng)力處理,避免局部殘余應(yīng)力過大。同時(shí),須保持加工和儲(chǔ)存環(huán)境清潔、干燥,尤其在水壓試驗(yàn)后,應(yīng)及時(shí)擦干,避免有水分殘留在黃銅表面。該廠按照建議改進(jìn)工藝流程,添加了去應(yīng)力退火及水壓后除濕環(huán)節(jié)后,未發(fā)現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

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