黄铜制品开裂原因分析

顾美转(西安交通大学材料科学与工程学院，陕西西安710049)

摘 要：针对黄铜开裂件进行了宏观分析、裂纹走向及断口分析；并对其金相组织及化学成分进行了测试分析。综

合分析表明，该黄铜制品的开裂是由残余拉应力引起，属应力腐蚀开裂所致。从而找到了黄铜制品失效的原因所在。

关键词：黄铜制品；残余拉应力；应力腐蚀开裂

某厂圆筒状黄铜制品存放期间出现开裂现象，委托我们进行失效分析。为此，我们对黄铜开裂件进行了宏观分析、金相组织分析；并用电子探针测定了化学成分；观察了裂纹走向及裂纹尖端形貌；分析了不同断裂区的断裂特点。根据实验结果与分析讨论，确定了黄铜制品开裂的原因。

1 开裂件的宏观分析

观察黄铜制品的开裂处，可见裂纹周围有明显的塑性变形，裂纹源处宽，尾部细，裂纹垂直于圆筒外端，即从外端起始纵向扩展，与圆筒轴线方向大致平行。裂纹外貌与黄铜应力腐蚀开裂极为相似，见图1。

图1 黄铜开裂件的宏观形貌                          图2 开裂件的金相组织  400×

2 金相组织分析

制备黄铜开裂件的金相样品，检验与裂纹垂直截面上的金相组织，发现圆筒外表层晶粒较内部粗大，与纯铜组织相似。这是黄铜脱锌腐蚀的典型特征。内部组织为α+β少双相组织，其上分布有黑灰色颗粒，估计可能为铁相(根据测定的化学成分)[1]，见图2。

3 化学成分分析

在新鲜断口上，用电子探针测定材料的平均成分(表1)。从分析数据看，材料成分基本正常，但局部含铁量高，有偏析(标准~0.5%)。

表1  用电子探针测定的材料的平均成分

4 开裂件的扫描电镜分析

4.1 裂纹走向及形貌

裂纹起源于端部，走向与冷变形方向(轴向)基本一致，见图3。该方向正好与冷变形引起的最大残余拉应力方向相垂直(即周向)，说明裂纹是由残余拉应力作用所致。

图3 主裂纹走向形貌

   图4的形貌为裂纹尖端的开裂特征。可见在主裂纹尖端两侧伴有不少滑移台阶及滑移台阶发展而成的众多的微细分叉裂纹，它们的走向与主裂纹基本一致，这些分叉裂纹是应力腐蚀开裂的重要特征。在个别区域可见横向(周向)开裂特征，它们也与主裂纹相连，但这些横向裂纹与周向加工痕迹重合，这说明机加工缺口效应对这些裂纹的形成起了促进作用，见图5。

图4 主裂纹尖端的开裂特征                        图5 与主裂纹相连的横向裂纹

4.2 断口形貌分析

对有裂纹的黄铜件施加压力，使其沿主裂纹完全断开，分别观察原始开裂区及在外力作用下的静断区断口形貌。原始开裂区显示出典型的脆性断裂特征，断口以穿晶型的解理花样为主，也有少量的沿晶脆断特征。此外，断口上还有大量连续和非连续的二次裂纹，这些断裂形貌是应力腐蚀开裂的基本特征，见图6。

静断区形貌不同于原开裂区形貌，它是典型的韧窝断裂特征，但韧窝间距小，深度浅，表明材料开裂前原始塑性较低，见图7。

图6 原始开裂区的断裂形貌                            图7 静断区断口形貌

5 分析与讨论

5.1 从材料成分、金相组织方面考虑

黄铜应力腐蚀的敏感性随锌含量的增加而增大，特别是当黄铜锌含量大于20%以后，即高锌的α相或β相敏感性更大。所选材料含锌量偏高，为38%～39%之间，这对提高强度有利，却易产生应力腐蚀，增大开裂倾向。

黄铜的晶粒度对其开裂也有一定的影响，晶粒越大，开裂倾向越大。由黄铜的金相组织分析知：外表层晶粒比内部明显粗大，外表层又直接与介质接触，所以，腐蚀开裂由圆筒外端部起源，外表层组织已出现脱锌腐蚀，与纯铜组织相似。至于内外晶粒大小存在差别的原因，可以认为：其一与黄铜冷变形不均匀有关；其二黄铜中铁含量偏析对此也有不利影响。

5.2 从残余应力方面分析

若黄铜制品中无残余应力存在，腐蚀很难向深处侵入。只有当黄铜制品存在残余应力时，在周围介质(如潮湿空气)的作用下，腐蚀沿应力分布不均匀的晶粒边界进行，并在拉应力作用下导致开裂。该黄铜制品本身存在残余应力，而且残余拉应力沿圆筒周向分布，与裂纹垂直。此残余拉应力促使腐蚀介质向内部侵入，使腐蚀裂纹向纵深发展。

5.3 从环境因素方面考虑

在黄铜制品的存放期间，雨季较长，使空气相对湿度增高，这也对黄铜开裂带来不利影响。

6  结论

根据上述实验结果与分析讨论，可以得出：该黄铜制品的开裂属应力腐蚀开裂所致，它是在冷加工残余拉应力的作用下，锌在黄铜晶间选择性腐蚀的结果。

7  措施

(1)充分进行低温消除应力退火，消除黄铜制品在冷加工时产生的残余应力。去应力退火后，防止制品重新受到局部加工变形或碰伤等。

(2)在强度许可的情况下，尽量选用含锌低的黄铜材料。注意化学成分不但要合格，还应无偏析存在。

(3)控制冷加工变形度，避免造成不均匀的变形。

(4)黄铜制品应存放在远离腐蚀气氛的地方，尤其是含氨气氛附近。