分享：船舶用带铜衬套通舱管件焊接开裂原因

潘恒沛1,杨 晓1,张利娟1,张欣耀1,2

(1.洛阳船舶材料研究所,洛阳 471023;

2.河南省船舶及海工装备结构材料技术与应用重点实验室,洛阳 471023) 

摘 要:船舶用带铜衬套通舱管件焊接后造成表面开裂。采用化学成分分析、金相检验、断口分 析和拉伸试验等方法,分析了管件开裂的原因。结果表明:带铜衬套通舱管件端面开裂类型为液态 金属致脆开裂;在焊接过程中,S221锡黄铜中的低熔点金属从管件端面沿晶界进入材料内部,导致 管件脆化形成裂纹,在拉应力作用下,裂纹扩展造成管件端面发生开裂。 

关键词:带铜衬套通舱管件;液态金属致脆开裂;失效分析 

中图分类号:TG115 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)01-0033-04

带铜衬套通舱管件通常用于船舶海水管路系统 中,该类管件规格齐全,价格适中,具有较好的防海 洋生物污损性能。在实际安装过程中,通常采用黄 铜钎焊的方法将法兰与管件本体进行连接,以保证 带铜衬套通舱管件的密封性[1]。某带铜衬套通舱管 件的本体材料为20Cr钢,状态为调质态。焊接前管 件本体端面未发现肉眼可见的裂纹,焊接后采用渗 透探伤,可见多条裂纹,焊接材料为 S221 锡黄铜, 焊接方式为钎焊。为找出带铜衬套通舱管件表面裂 纹产生的原因,笔者对其进行了一系列理化检验和 分析。

1 理化检验

1.1 宏观观察 

开裂带铜衬套通舱管件的宏观形貌见图1a), 管件本体表面呈金属色,管件心部为铜衬套,法兰与 管件本体之间存在一圈黄铜色钎焊填充物,未发现 明显裂纹。渗透探伤后观察,可见管件本体端面存 在多条细小裂纹,裂纹沿管件圆心向周围呈放射状 分布,见图1b)。

1.2 化学成分分析 

对带铜衬套通舱管件本体进行化学成分分析, 结果见表1,可见管件本体的化学成分符合 GB/T 3077-1999《合 金 结 构 钢》标 准 对 20Cr钢 的 技 术 要求。

1.3 拉伸试验 

在带铜衬套通舱管件本体截取试样进行拉伸试 验,结果见表2,可见管件本体的屈服强度、抗拉强 度均不符合 GB/T3077-1999标准对20Cr钢的技 术要求,伸长率和断面收缩率符合标准要求。

1.4 断口分析 

在带铜衬套通舱管件本体端面裂纹较多的区域 截取试样,沿裂纹将试样断开,观察其断口的微观形 貌。由图2可见,断口整体呈沿晶断裂的形貌特征, 部分区域晶粒表面呈熔融形貌。对沿晶断裂和熔融 特征明显的区域进行能谱分析。由表3可见,断口 处的氧含量极低,且含有一定量的铜、锌、锡等元素, 其中沿晶断裂区域的铜含量较低,熔融特征明显区域 主要含铜和锌元素,以及少量的铁、

锡元素

1.5 金相检验 

裂纹沿带铜衬套通舱管件本体端面圆心向四 周呈放射 状 分 布。由 图 3 可 见:带 铜 套 通 舱 管 件 本体表面裂 纹 内 存 在 黄 色 物 质;管 件 本 体 的 显 微 组织为 铁 素 体 + 珠 光 体 组 织,裂 纹 沿 晶 界 扩 展。 对裂纹内黄色物质进行能谱分析,结果见表4,可 见其主要成分为铜,质量分数约为60%,锌质量分 数约为30%。

2 分析与讨论

带铜衬套通舱管件本体的化学成分符合 GB/T 3077-1999标准对20Cr钢的技术要求。管件本体 的屈服强度、抗拉强度均低于标准要求,伸长率和断 面收缩率符合标准要求,拉伸性能不合格。

带铜衬套通舱管件本体端面存在多条细小裂 纹,裂纹沿管件端面圆心向周围呈放射状分布。将 管件沿裂纹断开后,其断口整体呈沿晶断裂特征,部 分区域晶粒表面呈熔融特征形貌,局部区域表面可 见一层覆盖物,断口处氧含量极低,且含有一定量的 铜、锌、锡等元素。金相检验结果表明:管件本体的 显微组织为铁素体+珠光体组织,这与调质处理后 的显微组织不符;裂纹均沿晶界扩展,裂纹内存在黄 色物质,其主要化学成分为铜、锌、铁、锡,这与焊接 材料S221锡黄铜的主要化学成分基本一致。

焊接是在温度较高的含氧环境中进行的,断口 未发现明显氧化特征,能谱分析也未发现较高含量 的氧元素,因此排除裂纹是在焊接前产生的。有研 究表明,在一定的温度和拉应力作用下,低熔点金属 容易从零件表面沿晶界进入材料内部,使材料脆化, 形成裂纹,进而导致零件失效,这种类型的开裂被称 为液态金属致脆开裂[2]。一般认为,当零件实际温 度达到低熔点金属熔点的2/3或1/2时,在拉应力 作用下,低熔点金属即会沿晶界渗入金属内部致使 材料脆化而逐渐形成裂纹。低熔点金属受热液化 时,若与固体金属表面直接接触,在拉应力作用下会 在固体金属表面起裂,裂纹尖端吸附低熔点金属液 态原子,进一步降低固体金属的晶体结合强度,导致 裂纹沿晶界扩展。

S221锡黄铜为低熔点金属,若焊接工艺控制不 当,焊材金属与管件本体接触时极易产生液态金属 致脆开裂现象,管件本体的异常显微组织对低熔点 金属沿晶界扩散有促进作用。 综上所述,带铜衬套通舱管件开裂的类型属于 液态金 属 致 脆 开 裂。在 焊 接 过 程 中,低 熔 点 金 属 S221锡黄铜从管件本体端面沿晶界进入材料内部, 导致材料脆化,形成裂纹。

3 结论及建议 

(1)带铜衬套通舱管件开裂模式为液态金属致 脆开裂。在焊接过程中,S221锡黄铜中的低熔点金 属从管件本体端面沿晶界进入材料内部,导致材料脆化,形成裂纹,管件本体的异常显微组织对低熔点 金属沿晶界扩散有促进作用。 (2)建议严格控制管件本体的热处理工艺及显 微组织,通过预热、控制焊接温度等措施缩短管件在 高温环境中的停留时间。经验证,控制管件本体组 织为回火索氏体,焊接前,管件经300 ℃预热,焊接 过程中温度保持在300~350 ℃,管件本体未发生 开裂。

参考文献:

[1] 姜军记,俞健,李光磊,等.带铜衬套通舱管件的防腐 治理[J].舰船科学技术,2013,35(6):103-108. [2] 张权明,迟淳,张勇,等.液态金属致脆失效案例分析 [J].物理测试,2008,26(6):51-53.

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