劉晶琳,孟文華,曾偉傳,陳 旭
(無錫市產品質量監(jiān)督檢驗中心,無錫 ２１４０００)
摘 要:材料為 QAl９Ｇ４鋁青銅的船用推進器轉向油缸接頭,在下水投入使用８個月后出現早期斷裂失效.從斷口形貌、化學成分、力學性能、顯微組織等方面,對 QAl９Ｇ４鋁青銅油缸接頭進行斷裂原因分析.結果表明:QAl９Ｇ４鋁青銅原材料力學性能偏低,鉛、鐵元素含量超標,增加了合金的脆性并降低了合金的耐腐蝕性;基體組織嚴重偏析,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)生應力腐蝕開裂并最終導致脆性斷裂.
關鍵詞:QAl９Ｇ４鋁青銅;油缸接頭;應力腐蝕;脆性斷裂
中圖分類號:TG１１５．２ 文獻標志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１７)０３Ｇ０２０８Ｇ０４
鋁青銅具有較好的力學性能,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器轉向油缸接頭的制造,接頭在海洋環(huán)境服役過程中存在一定的腐蝕問題,會導致材料的力學性能迅速下降,螺紋連接失效,進而導致船舶傳動系統(tǒng)功能喪失,嚴重威脅船舶的航行安全.某船用推進器轉向油缸接頭的材料為 QAl９Ｇ４鋁青銅合金棒材,用螺紋連接球頭關節(jié),見圖１.油缸接頭在下水投入使用８個月后出現早期斷裂失效.為了探究油缸接頭的斷裂原因,提高產品質量,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行了理化檢驗和分析.
１ 理化檢驗
１．１ 斷口宏觀形貌觀察
取樣時整個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.斷口經清洗過后可以清晰地看到放射狀條紋,分別指向兩個對稱的有較明顯金屬光澤的區(qū)域,見圖３中的 A 和B,該兩個區(qū)域為裂紋源區(qū).可見擴展區(qū)占了整個斷口的絕大部分,整個斷裂面較為平整,且與軸向垂直.斷裂位置位于退刀槽傾角處,整個斷口無明顯塑性變形.
１．２ 化學成分分析
從斷裂油缸接頭上取樣進行化學成分分析,得到的化學成分分析結果見表１.根據 GB/T５２３１－２０１２«加工銅及銅合金牌號和化學成分»中的要求可見,鉛、鐵元素含量超標.
１．３ 力學性能測試
從斷裂的油缸缸體和另一未斷的油缸接頭取力學試棒,經萬能試驗機測試其力學性能,結果見表２.根據 YS/T６４９－２００７«銅及銅合金擠制棒»驗收標準,可見其抗拉強度及斷后伸長率均低于驗收標準值.
由萬能試驗機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);擴展區(qū)表面覆蓋了一層腐蝕產物,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力腐蝕開裂[１].對腐蝕產物層腐蝕產物,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力腐蝕開裂[１].對腐蝕產物進行能譜掃描,掃描位置見圖５(b),結果如表３所示,可見腐蝕產物中含有氧、硫等腐蝕性介質元素.
表１ QAl９Ｇ４鋁青銅油缸接頭的化學成分分析結果(質量分數）
Tab.１ AnalysisresultsofchemicalcompositionsofthecylinderjointofQAl９Ｇ４aluminiumbronze massfraction ％
１．５ 金相檢驗
將試樣拋光后用 FeCl３ 鹽酸溶液進行侵蝕,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 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,但作為低熔點脆性相的元素,同時也會增加合金的脆性.鐵雖然能細化合金組織,提高力學性能,但鐵含量超標會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,偏析嚴重,造成原材料的力學性能指標未達到YS/T６４９－２００７ 的驗收規(guī)定,同時使得基體晶間結合力變差,組織內應力增大;同時(α＋γ２)共析體
的存在會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(主要是拉伸應力)和使用環(huán)境中腐蝕介質的氧化作用,油缸接頭在表面腐蝕銹斑處萌生裂源,發(fā)生應力腐蝕造成早期脆性斷裂.
３ 結論及建議
(１)Al９Ｇ４鋁青銅船用推進器轉向油缸接頭斷裂失效的原因為:原材料力學性能偏低,鉛、鐵含量超標,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)生應力腐蝕開裂并最終造成脆性斷裂.
(２)建議對原材料的質量進行嚴格監(jiān)控,了解其供貨時的化學成分、力學性能和熱處理狀態(tài),正確地調整原材料的熱處理強化工藝,通過熱處理強化獲得良好的強度、韌性及耐腐蝕性.
(３)一定的材料、與之匹配的特定介質和拉應力是發(fā)生應力腐蝕斷裂的主要因素[３],只要三者缺少一個,就不會發(fā)生應力腐蝕斷裂.應針對使用的介質和環(huán)境,合理選材,避免形成應力腐蝕的三要素.