劉晶琳,孟文華,曾偉傳,陳 旭

(無錫市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心,無錫 ２１４０００)

摘 要:材料為 QAl９Ｇ４鋁青銅的船用推進(jìn)器轉(zhuǎn)向油缸接頭,在下水投入使用８個(gè)月后出現(xiàn)早期斷裂失效.從斷口形貌、化學(xué)成分、力學(xué)性能、顯微組織等方面,對 QAl９Ｇ４鋁青銅油缸接頭進(jìn)行斷裂原因分析.結(jié)果表明:QAl９Ｇ４鋁青銅原材料力學(xué)性能偏低,鉛、鐵元素含量超標(biāo),增加了合金的脆性并降低了合金的耐腐蝕性;基體組織嚴(yán)重偏析,在交變載荷及環(huán)境腐蝕的作用下在表面腐蝕銹斑處萌生裂紋源,發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂并最終導(dǎo)致脆性斷裂.

關(guān)鍵詞:QAl９Ｇ４鋁青銅;油缸接頭;應(yīng)力腐蝕;脆性斷裂

中圖分類號:TG１１５．２ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１７)０３Ｇ０２０８Ｇ０４

鋁青銅具有較好的力學(xué)性能,在大氣、淡水和海水中均有優(yōu)良的耐蝕性,腐蝕疲勞強(qiáng)度高,鑄造性和耐磨性良好,在４００℃以下耐熱性、焊接性能較好.QAl９Ｇ４鋁青銅常被用于船用推進(jìn)器轉(zhuǎn)向油缸接頭的制造,接頭在海洋環(huán)境服役過程中存在一定的腐蝕問題,會(huì)導(dǎo)致材料的力學(xué)性能迅速下降,螺紋連接失效,進(jìn)而導(dǎo)致船舶傳動(dòng)系統(tǒng)功能喪失,嚴(yán)重威脅船舶的航行安全.某船用推進(jìn)器轉(zhuǎn)向油缸接頭的材料為 QAl９Ｇ４鋁青銅合金棒材,用螺紋連接球頭關(guān)節(jié),見圖１.油缸接頭在下水投入使用８個(gè)月后出現(xiàn)早期斷裂失效.為了探究油缸接頭的斷裂原因,提高產(chǎn)品質(zhì)量,防止類似事故的再發(fā)生,筆者對螺紋連接斷裂處的油缸接頭進(jìn)行了理化檢驗(yàn)和分析.

１ 理化檢驗(yàn)

１．１ 斷口宏觀形貌觀察

取樣時(shí)整個(gè)油缸表面都已布滿了銹斑腐蝕物,油缸接頭外表面及斷口表面也是如此,斷口已無明顯的金屬光澤,見圖２.斷口經(jīng)清洗過后可以清晰地看到放射狀條紋,分別指向兩個(gè)對稱的有較明顯金屬光澤的區(qū)域,見圖３中的 A 和B,該兩個(gè)區(qū)域?yàn)榱鸭y源區(qū).可見擴(kuò)展區(qū)占了整個(gè)斷口的絕大部分,整個(gè)斷裂面較為平整,且與軸向垂直.斷裂位置位于退刀槽傾角處,整個(gè)斷口無明顯塑性變形.

１．２ 化學(xué)成分分析

從斷裂油缸接頭上取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,得到的化學(xué)成分分析結(jié)果見表１.根據(jù) GB/T５２３１－２０１２«加工銅及銅合金牌號和化學(xué)成分»中的要求可見,鉛、鐵元素含量超標(biāo).

１．３ 力學(xué)性能測試

從斷裂的油缸缸體和另一未斷的油缸接頭取力學(xué)試棒,經(jīng)萬能試驗(yàn)機(jī)測試其力學(xué)性能,結(jié)果見表２.根據(jù) YS/T６４９－２００７«銅及銅合金擠制棒»驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn),可見其抗拉強(qiáng)度及斷后伸長率均低于驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)值.

由萬能試驗(yàn)機(jī)拉斷的油缸接頭可見,裂源同樣位于表面,且裂源處的顏色呈明顯氧化后的顏色,外圓處為銹斑,見圖４.與自然斷裂的油缸接頭的區(qū)別只是裂源未發(fā)生擴(kuò)展.

１．４ 斷口微觀形貌分析

使用掃描電鏡觀察斷口的微觀形貌,可見裂源區(qū)有明顯的腐蝕痕跡,見圖５(a);擴(kuò)展區(qū)表面覆蓋了一層腐蝕產(chǎn)物,呈泥漿狀開裂形態(tài),見圖５(b),可以推斷該裂紋屬于典型的應(yīng)力腐蝕開裂[１].對腐蝕產(chǎn)物層腐蝕產(chǎn)物,呈泥漿狀開裂形態(tài),見圖５(b),可以推斷該裂紋屬于典型的應(yīng)力腐蝕開裂[１].對腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜掃描,掃描位置見圖５(b),結(jié)果如表３所示,可見腐蝕產(chǎn)物中含有氧、硫等腐蝕性介質(zhì)元素.

表１ QAl９Ｇ４鋁青銅油缸接頭的化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

Tab.１ AnalysisresultsofchemicalcompositionsofthecylinderjointofQAl９Ｇ４aluminiumbronze massfraction ％

１．５ 金相檢驗(yàn)

將試樣拋光后用 FeCl３ 鹽酸溶液進(jìn)行侵蝕,用金相顯微鏡觀察到其基體顯微組織為粗大枝晶狀α相＋(α＋γ２ )共 析 體 ＋FeAl３[２],偏 析 較 嚴(yán) 重,見圖６.斷口處有明顯的沿晶裂紋存在,晶界呈腐蝕氧化色,見圖７,這與斷口微觀形貌相吻合.金相顯微鏡觀 察 到 裂 源 區(qū) 顯 微 組 織 為 粗 大 枝 晶 狀 α 相＋(α＋γ２)共析體＋FeAl３,見圖８.

２ 分析與討論

鉛不固溶于合金基體,以純組元存在,在合金中能起到改善切削及耐磨性能的作用,但作為低熔點(diǎn)脆性相的元素,同時(shí)也會(huì)增加合金的脆性.鐵雖然能細(xì)化合金組織,提高力學(xué)性能,但鐵含量超標(biāo)會(huì)使基體中的含鐵相增多,降低合金的耐腐蝕性.

QAl９Ｇ４鋁青銅合金基體組織中有粗大枝晶狀α相,偏析嚴(yán)重,造成原材料的力學(xué)性能指標(biāo)未達(dá)到Y(jié)S/T６４９－２００７ 的驗(yàn)收規(guī)定,同時(shí)使得基體晶間結(jié)合力變差,組織內(nèi)應(yīng)力增大;同時(shí)(α＋γ２)共析體

的存在會(huì)降低合金的耐腐蝕性能.在使用過程中,由于受到交變載荷的作用(主要是拉伸應(yīng)力)和使用環(huán)境中腐蝕介質(zhì)的氧化作用,油缸接頭在表面腐蝕銹斑處萌生裂源,發(fā)生應(yīng)力腐蝕造成早期脆性斷裂.

３ 結(jié)論及建議

(１)Al９Ｇ４鋁青銅船用推進(jìn)器轉(zhuǎn)向油缸接頭斷裂失效的原因?yàn)?原材料力學(xué)性能偏低,鉛、鐵含量超標(biāo),增加了合金的脆性,降低了合金的耐腐蝕性;基體組織偏析嚴(yán)重,且在交變載荷及環(huán)境腐蝕氧化的作用下在表面腐蝕銹斑處萌生裂源,油缸接頭發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂并最終造成脆性斷裂.

(２)建議對原材料的質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)控,了解其供貨時(shí)的化學(xué)成分、力學(xué)性能和熱處理狀態(tài),正確地調(diào)整原材料的熱處理強(qiáng)化工藝,通過熱處理強(qiáng)化獲得良好的強(qiáng)度、韌性及耐腐蝕性.

(３)一定的材料、與之匹配的特定介質(zhì)和拉應(yīng)力是發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂的主要因素[３],只要三者缺少一個(gè),就不會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂.應(yīng)針對使用的介質(zhì)和環(huán)境,合理選材,避免形成應(yīng)力腐蝕的三要素.