黃銅角閥開裂原因分析

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(廣東檢驗(yàn)檢疫技術(shù)中心, 廣州510623)

黃銅角閥開裂原因分析

曹標(biāo),譚瑩,李小敏

(廣東檢驗(yàn)檢疫技術(shù)中心, 廣州510623)

某公司生產(chǎn)的廚房用角閥在安裝使用約4個(gè)月后，部分發(fā)生開裂。通過斷口宏微觀分析、化學(xué)成分分析、硬度測試、金相檢驗(yàn)、氨熏試驗(yàn)等手段，對角閥開裂的原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：角閥失效屬于應(yīng)力腐蝕開裂，角閥裝配應(yīng)力過大是導(dǎo)致其發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的主要原因。

黃銅角閥； 開裂； 應(yīng)力腐蝕； 裝配應(yīng)力

某衛(wèi)浴產(chǎn)品企業(yè)生產(chǎn)的1萬多個(gè)廚房洗菜盤安裝用黃銅角閥，在使用約4個(gè)月后部分發(fā)生開裂。該角閥安裝在洗菜盤下方，開裂位置在PP-R接頭的管口部位。角閥材料為HPb58-2黃銅，表面鍍鉻。圖1為開裂角閥外觀，其螺牙頂部出現(xiàn)嚴(yán)重的變形痕跡，鍍鉻層被擠開露出銅基體，且這種現(xiàn)象在開裂角閥中具有一定的普遍性，見圖2。

圖1 開裂角閥外觀Fig.1 Appearance of the cracked angular valves

筆者運(yùn)用斷口觀察、化學(xué)成分分析、硬度測試、金相檢驗(yàn)等方法，對黃銅角閥的開裂失效原因進(jìn)行了分析，并提出了改進(jìn)建議，為黃銅角閥的生產(chǎn)和合理使用提供參考。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 斷口宏觀觀察

圖3為典型的開裂角閥斷口宏觀形貌，可以看出，斷口未見明顯變形，表面覆蓋一層腐蝕產(chǎn)物，且內(nèi)壁表面腐蝕顏色較外壁表面的深，這表明開裂起始于內(nèi)壁，即裂紋由內(nèi)向外擴(kuò)展。

圖3 角閥斷口宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of fracture surface of the angular valve

1.2 斷口微觀分析

圖4為典型的角閥斷口微觀形貌，可見斷口呈典型的解理斷裂特征。使用X射線能譜儀分析斷口表面的腐蝕產(chǎn)物成分，發(fā)現(xiàn)斷口表面腐蝕區(qū)均可檢測到腐蝕性元素硫、氧、氯等，見圖5。

圖4 角閥斷口的微觀形貌Fig.4 Micro morphology of fracture surface of the angular valve

圖5 角閥斷口表面腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果Fig.5 Analysis results of energy spectrum of corrosion products on fracture surface of the angular valve

上述斷口分析結(jié)果顯示，角閥斷口未見明顯的宏觀變形，裂紋源處于內(nèi)表面，斷口微觀呈解理脆性斷裂特征，表面腐蝕產(chǎn)物中有腐蝕性元素硫、氧、氯等，這些均屬典型的應(yīng)力腐蝕開裂特征。這表明，角閥開裂屬于應(yīng)力腐蝕開裂[1]。

1.3 化學(xué)成分分析

按設(shè)計(jì)要求，角閥材料為HPb58-2黃銅。取代表性角閥分析其化學(xué)成分，結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明，角閥材料符合GB/T 5231-2012對HPb58-2黃銅化學(xué)成分的要求。

表1 角閥化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Analysis results of chemical compositions of theangular valve (mass fraction) %

1.4 硬度測試

為了了解角閥力學(xué)性能的均勻性，隨機(jī)選擇3個(gè)同時(shí)期安裝的代表性角閥進(jìn)行顯微硬度測試，比較了開裂區(qū)與未開裂區(qū)的硬度差別，并與未開裂角閥的硬度進(jìn)行比較，結(jié)果如表2所示?？梢钥闯觯_裂角閥的開裂區(qū)與未開裂區(qū)硬度沒有明顯差別，同時(shí)期的開裂角閥與未斷裂角閥的硬度也基本一致。由此判斷，開裂角閥的力學(xué)性能基本均勻。

表2 角閥的硬度測試結(jié)果Tab.2 Hardness testing results of the angular valves HV

1.5 金相檢驗(yàn)

對開裂角閥斷面附近截面進(jìn)行金相檢驗(yàn)，可見裂紋呈分叉狀，見圖6。這是應(yīng)力腐蝕開裂的一個(gè)典型特征[1]，進(jìn)一步表明角閥開裂屬于應(yīng)力腐蝕開裂。

圖6 裂紋分叉形貌Fig.6 Bifurcation morphology of cracks

圖7和圖8分別為開裂角閥開裂區(qū)和未開裂區(qū)的顯微組織形貌。可以看出，角閥開裂區(qū)與未開裂區(qū)的顯微組織相同，均為深色基體β相+白色條塊狀α相。

圖7 開裂角閥斷裂區(qū)的顯微組織形貌Fig.7 Microstructure morphology of fracture area of the cracked angular valve

圖8 開裂角閥未斷裂區(qū)的顯微組織形貌Fig.8 Microstructure morphology of non-fracture area of the cracked angular valve

圖9 開裂角閥中心區(qū)域的顯微組織形貌Fig.9 Microstructure morphology of central area of the cracked angular valve

圖10 未開裂角閥中心區(qū)域的顯微組織形貌Fig.10 Microstructure morphology of central area of the non-cracked angular valve

圖9和圖10分別為開裂角閥和未開裂角閥中心區(qū)域的顯微組織形貌。可以看出，開裂角閥和未開裂角閥的顯微組織沒有明顯差異，且無冶金質(zhì)量缺陷，顯微組織均為深色基體β相+白色條塊狀α相。

1.6 氨熏試驗(yàn)

為了檢測角閥的應(yīng)力腐蝕開裂敏感性，模擬安裝使用狀態(tài)，并依照YS/T 814-2012《黃銅制品應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)方法》進(jìn)行氨熏試驗(yàn)。

按照對應(yīng)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)GB/T 26712-2011，該角閥的公稱直徑為15 mm(俗稱1/2″管)，可承受的扭力矩為61 N·m。選擇兩個(gè)角閥分別與不銹鋼彎頭進(jìn)行裝配，其中一個(gè)正常裝配(試樣1)，使其扭力矩達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的上限61 N·m，為便于試驗(yàn)比較，另一個(gè)裝配(試樣2)時(shí)，其扭力矩超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的上限達(dá)到70 N·m；另外再選擇一個(gè)未與彎頭裝配的角閥(試樣3)，同時(shí)一起進(jìn)行氨熏試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的裝配扭矩下，角閥能通過應(yīng)力腐蝕開裂敏感性試驗(yàn)；當(dāng)超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的裝配扭矩時(shí)，角閥不能通過應(yīng)力腐蝕開裂敏感性試驗(yàn)，出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂。

表3 角閥的氨熏試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Ammonia testing results of the angular valves

2 綜合分析

HPb58-2黃銅具有良好的力學(xué)性能、加工性能及耐腐蝕性能，廣泛用于制作衛(wèi)浴產(chǎn)品、供排水管、獎(jiǎng)?wù)?、蛇形管、冷凝管、彈殼及各種形狀復(fù)雜的沖制品、小五金件等。黃銅具有良好的耐腐蝕性能，但對應(yīng)力腐蝕開裂比較敏感，特別是鋅含量大于15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的黃銅具有較高的應(yīng)力腐蝕開裂敏感性[2-3]。因此，黃銅加工成型后需要進(jìn)行消除應(yīng)力處理，以減輕應(yīng)力腐蝕開裂傾向；在腐蝕介質(zhì)方面，黃銅對含硫的腐蝕介質(zhì)有較大的應(yīng)力腐蝕開裂敏感性，如環(huán)境中有腐蝕性元素硫、氧、氯等存在時(shí)，則會(huì)加快應(yīng)力腐蝕開裂的發(fā)生[4-5]。

由斷口分析、金相檢驗(yàn)及能譜分析結(jié)果可知，角閥斷口未見明顯的宏觀變形，裂紋源處于內(nèi)表面，裂紋呈分叉狀，斷口微觀呈解理脆性斷裂特征，斷口表面腐蝕產(chǎn)物中有腐蝕性元素硫、氧、氯等，這些特征表明，角閥開裂屬于典型的應(yīng)力腐蝕開裂。應(yīng)力腐蝕開裂需滿足兩個(gè)條件，一是有腐蝕介質(zhì)，二是有應(yīng)力特別是拉應(yīng)力的作用，因而可以推斷，這些開裂的角閥內(nèi)部存在一定的拉應(yīng)力。有資料[2]指出，這種拉應(yīng)力經(jīng)常來源于焊接、冷加工、熱處理以及裝配等工序。

從理化檢驗(yàn)結(jié)果可知，制備角閥的原材料化學(xué)成分符合GB/T 5231-2012對HPb58-2黃銅的要求，且顯微組織正常，未見顯微組織缺陷，力學(xué)性能均勻，材料及組織都不存在明顯的缺陷。

氨熏試驗(yàn)結(jié)果表明：在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的裝配扭矩下角閥能通過應(yīng)力腐蝕開裂敏感性試驗(yàn)；而如果以超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的扭矩裝配角閥時(shí)，角閥則不能通過應(yīng)力腐蝕開裂敏感性試驗(yàn)而出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂。這表明，正是角閥中存在較大的裝配應(yīng)力，導(dǎo)致角閥在腐蝕介質(zhì)的作用下產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂。

3 結(jié)論及建議

角閥失效屬于典型的應(yīng)力腐蝕開裂，角閥裝配應(yīng)力過大是導(dǎo)致其發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的主要原因。

建議裝配黃銅角閥時(shí)應(yīng)控制裝配力度，避免在角閥中留下過大的內(nèi)應(yīng)力，引起角閥早期失效。

[1] 張棟,鐘培道,陶春虎,等.失效分析[M].北京:國防工業(yè)出版社,2004:192-197.

[2] 姚祖德,姚良均,郭鴻運(yùn),等.銅及銅合金材料手冊[M].北京:科學(xué)出版社,1993.

[3] 楊曉,張先鋒,苗富貴,等.H62黃銅套管環(huán)境致裂行為分析[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊,2015,51(4):283-285.

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[5] 呂淵.風(fēng)機(jī)盤管排氣閥開裂原因分析[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊,2015,51(8):600-602.

AnalysisonCrackingReasonsofBrassAngularValves

CAOBiao,TANYing,LIXiaomin

(Guangdong Inspection and Quarantine Technology Center, Guangzhou 510623, China)

Some brass angular valves used for kitchens produced by a factory cracked after use for about 4 months. Means, such as macroscopic and microscopic fracture analysis, chemical composition analysis, hardness testing, metallographic inspection, and ammonia test, were used to investigate cracking reasons of the brass angular valves. The results show that: the failure of angular valves resulted from the stress corrosion; the stress corrosion cracking was mainly caused by too big assembling stress of angular valves.

brass angular valve; cracking; stress corrosion; assembling stress

10.11973/lhjy-wl201711018

TG115.2

B

1001-4012(2017)11-0841-03

2016-11-30

曹 標(biāo)(1963-)，男，研究員，博士，主要從事金屬材料檢測、失效分析工作，caob@iqtc.cn