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雙自封高液壓氣管接頭開裂失效分析案例分享

嘉峪檢測網        2019-10-09 16:29

事故背景

 

清洗機用雙自封高液壓氣管接頭在用定力扭矩扳手組裝時發生卡殼,經檢查發現接頭的螺紋端部出現了長度約為3mm的裂紋,如圖1所示。

 

雙自封高液壓氣管接頭開裂失效分析案例分享

圖1 開裂接頭的宏觀形貌

 

接頭整體呈階梯狀,其中螺紋部位材料為HPb63-3鉛黃銅,是由規格為?12mm的冷拉制銅棒經退火后加工得到。螺紋部位之外較粗的部分被注塑封裹處理。開裂處螺紋規格為M8mm,螺紋管壁厚0.8mm。

 

理化檢驗

 

1、化學成分分析

 

從接頭開裂的螺紋部位取樣,用MAXxLMM14型SPECTRO直讀光譜儀進行化學成分分析,結果如表1所示。

 

表1 開裂接頭的化學成分分析結果(質量分數)

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可見開裂接頭的化學成分均符合GB/T 5231-2012«加工銅及銅合金牌號和化學成分»對HPb63-3黃銅成分的技術要求。

 

2、金相檢驗

 

截取垂直于開裂面的剖面試樣,經磨制、拋光后,用三氯化鐵鹽酸水溶液(5g三氯化鐵+50mL鹽酸+100mL蒸溜水)浸蝕,使用DMI3000M型光學顯微鏡進行觀察。

 

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圖2 垂直于裂紋截面的顯微組織形貌

 

由圖2可見,試樣剖面的裂紋貫穿螺紋管壁,裂紋尾端尖細,屬于典型的應力裂紋;裂紋兩側組織無明顯異常,高倍下觀察到顯微組織為α相和鉛顆粒,晶內存在大量冷變形滑移線。

 

3、硬度試驗

采用DIA TESTER 2RC型WOLPERT硬度計在與接頭開裂部位材料同批次的HPb63-3鉛黃銅棒上取樣,對試樣橫截面進行布氏硬度測試。銅棒規格為?12mm,標尺選用HBW2.5/187.5,加載時間為15s。得到同批次銅棒的硬度實測值為72.8,71.3,72.7HBW2.5/187.5,平均值為72.3HBW2.5/187.5,均高于行業圖紙規范要求的65~69HBW2.5/187.5范圍的最高值。

 

4、拉伸試驗

在與接頭開裂部位材料同批次的HPb63-3鉛黃銅棒上取拉伸試樣,按照GB/T 228.1-2010«金屬材料拉伸試驗第1部分:室溫試驗方法»,采用CMT5305型萬能拉伸試驗機進行室溫拉伸試驗,結果見表2。

 

表2 同批次銅棒的拉伸試驗結果

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可見試樣的抗拉強度比GB/T 4423-2007«銅及銅合金拉制棒»對HPb63-3黃銅的技術要求值高58MPa。

 

分析與討論

 

由上述理化檢驗結果可知,與接頭開裂部位材料同批次的HPb63-3鉛黃銅棒的硬度超出圖紙規范要求,其抗拉強度比GB/T 4423-2007標準規定值高58MPa;組織中存在冷變形滑移線。HPb63-3鉛黃銅棒中鉛的質量分數小于36%,是典型的單相α鉛黃銅。該材料是面心立方(FCC)結構,具有較多的滑移系,在冷變形加工過程中,受外力作用時極易發生滑移變形,從而在晶內出現大量滑移線,經再結晶退火處理后形成孿晶組織。而對接頭開裂部位進行金相檢驗發現,顯微組織中只存在冷變形滑移線,沒有退火孿晶組織,這表明該接頭所用HPb63-3鉛黃銅棒的冷拉制變形工藝正常,但是退火處理不夠,造成其強度和硬度偏高,從而其脆性增大,塑性減小,導致接頭在組裝時受力而開裂。

 

由于該批次HPb63-3鉛黃銅棒為國外進口,如果退回原廠重新加工所需周期太長,且其采購量很大,成本較高,因此需要找到有效的補救辦法。

 

綜上,筆者認為最有效的辦法是對鉛黃銅棒進行再結晶退火處理。但由于此前鉛黃銅經過拉制冷變形和不充分的退火處理,其組織和應力狀態較復雜,因此再結晶退火溫度的選擇非常關鍵。需要注意的是,再結晶溫度不是恒定的溫度,其與變形程度密切相關。同時,由于鉛黃銅在拉制冷變形后晶粒變形大,位錯密度高,組織不穩定,向低能量變化的傾向更大,由此推斷鉛黃銅棒的再結晶溫度較低。但是,如果溫度太低達不到再結晶溫度,鉛黃銅不會再結晶形核或者形核速度非常緩慢;如果再結晶溫度太高,晶粒會在形核后快速長大,從而弱化鉛黃銅的力學性能。

 

為找到經濟有效的退火工藝,筆者選取同批次鉛黃銅棒4截,長度均為200mm,在260,300,350,400℃下分別退火處理1h,再按上述步驟進行布氏硬度測試和室溫拉伸試驗,試驗結果如表3所示。

 

表3 不同退火溫度下的力學性能試驗結果

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可見隨著退火溫度的升高,試樣的布氏硬度和抗拉強度均出現下降趨勢;300℃和350℃下試樣的抗拉強度較適中,略高于標準要求;400℃下試樣的抗拉強度低于標準要求。

 

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圖3 不同溫度退火處理后試樣的顯微組織形貌

 

用金相檢驗方法觀察不同溫度退火處理后試樣的顯微組織。由圖3可見,當退火溫度為260℃時,試樣組織中存在冷變形滑移線,所以其抗拉強度偏高,仍有開裂的風險;當退火溫度為300℃和350℃時,試樣組織為均勻的α相+鉛顆粒;當退火溫度為400℃時,試樣組織正常,但是晶粒有長大傾向。

 

結論及建議

 

該開裂接頭的HPb63-3鉛黃銅部位成分滿足標準要求,但硬度超標,抗拉強度超出標準值較多;該部位顯微組織存在冷變形滑移線,表明退火處理不充分。HPb63-3鉛黃銅棒在300℃和350℃下退火處理1h均可達到理想的力學性能,但綜合考慮其力學性能和成本因素,建議實際生產中在300℃下對其退火處理1h,可有效解決接頭開裂問題。

 

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來源:姚良理化檢驗

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