铜锌合金锥套的扫描电镜失效分析

刘安生，王晓华，王永兰

(北京有色金属研究院，北京 100088)

铁路电气化工程用的接触线端锚固线夹锥套，系采用H62黄铜制造，用于导电铜接触线的锚固。在使用过程中发生开裂破损，导致铜导线脱落。本文采用扫描电子显微镜、X射线能谱仪、金相显微镜等设备对其进行了全面的失效分析，通过对其断口特征的分析，加工工艺分析、受力分析，找出了该夹锥套的断裂原因。

1  实验

通过扫描电镜和X射线能谱仪，对断口进行了成分分析。在断口上发现大量的S，少量的Cl等腐蚀性元素。同时还在断口上发现有Mg，Al，Si，K，Ca，Ti，Fe等非基体元素。

从断口形貌上可以看到，试样的断口呈脆性断裂的颗粒状特征(图1(Bar=10μm))，大部分区域是典型的沿晶断裂的岩石特征(图2(Bar=10μm))，很深的晶粒边界对应力腐蚀是十分敏感的。在部分断口上可看到泥纹状花样(平坦的面上分布直线状的裂纹)，这是腐蚀产物所形成的覆盖物的较为典型的形貌特征(图3(Bar=100μm))。

H62黄铜为α+β两相黄铜，样品其平均成分和各相的成分列于表1。

　  从表1所列数据可见，没有发生腐蚀的区域，其化学成分符合有关标准。但在该工件的内表面，发现存在许多贫锌区(图4(Bar=10μm))，贫锌区的锌含量只有7.8%，远远低于该合金的正常含量37.4%。另外在距表面一定距离的内部也有贫锌区，证明发生了在黄铜中常见的脱锌腐蚀，而且是从表面向内部发展，锌的浓度呈从低到高的梯度分布。内表面还发现存在明显的腐蚀坑。

2  结果分析

通过以上分析，我们认为该工件的失效，应归结为脱锌腐蚀和应力腐蚀两种因素综合作用造成的腐蚀破坏。

本文分析的锥套，由于其与楔子及外壳配合，用于铜接触线的锚固，使其在工作状态下承受很强的拉应力作用。二氧化硫在雨水，雾等潮湿环境中，很容易形成对Cu基合金有害的腐蚀介质H₂SO₃，首先沿β相晶界产生腐蚀，随着晶界的不断粗化，疏松，形成微小的裂纹。裂纹在工件承受较大应力的作用下得到较快的发展，并不断衍生出二次裂纹，随着裂纹的发展，腐蚀介质沿裂纹更进一步深入到工件内部，使腐蚀行为更趋严重；另一方面裂纹的发展，使工件的有效承载面积缩小，使应力更加集中，又进一步促进裂纹的快速扩展，直至达到临界尺寸而失稳断裂。所以在腐蚀介质和应力二个因素的共同作用下，造成了应力腐蚀。

黄铜发生应力腐蚀开裂的本质，往往和黄铜脱锌腐蚀联系在一起，我们在分析中发现，在接近内表面的试样内部的β相中，锌明显减少，这是发生脱锌腐蚀的确实证据。

3  结论

综上所述，该工件的失效，主要是SO₂，Cl(可能还有NH₃)等腐蚀性介质在潮湿环境下，使黄铜产生了脱锌腐蚀，在工件表面形成最初的裂纹，在应力的作用下，又发生应力腐蚀。在脱锌腐蚀和应力腐蚀的双重作用下，裂纹不断扩展，最终导致工件的失效破坏。