分享：QAl9-4铝青铜转向油缸接头断裂失效分析
刘晶琳,孟文华,曾伟传,陈 旭
(无锡市产品质量监督检验中心,无锡 ２１４０００)
摘 要:材料为 QAl９Ｇ４铝青铜的船用推进器转向油缸接头,在下水投入使用８个月后出现早期断裂失效.从断口形貌、化学成分、力学性能、显微组织等方面,对 QAl９Ｇ４铝青铜油缸接头进行断裂原因分析.结果表明:QAl９Ｇ４铝青铜原材料力学性能偏低,铅、铁元素含量超标,增加了合金的脆性并降低了合金的耐腐蚀性;基体组织严重偏析,在交变载荷及环境腐蚀的作用下在表面腐蚀锈斑处萌生裂纹源,发生应力腐蚀开裂并最终导致脆性断裂.
关键词:QAl９Ｇ４铝青铜;油缸接头;应力腐蚀;脆性断裂
中图分类号:TG１１５．２ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１７)０３Ｇ０２０８Ｇ０４
铝青铜具有较好的力学性能,在大气、淡水和海水中均有优良的耐蚀性,腐蚀疲劳强度高,铸造性和耐磨性良好,在４００℃以下耐热性、焊接性能较好.QAl９Ｇ４铝青铜常被用于船用推进器转向油缸接头的制造,接头在海洋环境服役过程中存在一定的腐蚀问题,会导致材料的力学性能迅速下降,螺纹连接失效,进而导致船舶传动系统功能丧失,严重威胁船舶的航行安全.某船用推进器转向油缸接头的材料为 QAl９Ｇ４铝青铜合金棒材,用螺纹连接球头关节,见图１.油缸接头在下水投入使用８个月后出现早期断裂失效.为了探究油缸接头的断裂原因,提高产品质量,防止类似事故的再发生,笔者对螺纹连接断裂处的油缸接头进行了理化检验和分析.
１ 理化检验
１．１ 断口宏观形貌观察
取样时整个油缸表面都已布满了锈斑腐蚀物,油缸接头外表面及断口表面也是如此,断口已无明显的金属光泽,见图２.断口经清洗过后可以清晰地看到放射状条纹,分别指向两个对称的有较明显金属光泽的区域,见图３中的 A 和B,该两个区域为裂纹源区.可见扩展区占了整个断口的绝大部分,整个断裂面较为平整,且与轴向垂直.断裂位置位于退刀槽倾角处,整个断口无明显塑性变形.
１．２ 化学成分分析
从断裂油缸接头上取样进行化学成分分析,得到的化学成分分析结果见表１.根据 GB/T５２３１－２０１２«加工铜及铜合金牌号和化学成分»中的要求可见,铅、铁元素含量超标.
１．３ 力学性能测试
从断裂的油缸缸体和另一未断的油缸接头取力学试棒,经万能试验机测试其力学性能,结果见表２.根据 YS/T６４９－２００７«铜及铜合金挤制棒»验收标准,可见其抗拉强度及断后伸长率均低于验收标准值.
由万能试验机拉断的油缸接头可见,裂源同样位于表面,且裂源处的颜色呈明显氧化后的颜色,外圆处为锈斑,见图４.与自然断裂的油缸接头的区别只是裂源未发生扩展.
１．４ 断口微观形貌分析
使用扫描电镜观察断口的微观形貌,可见裂源区有明显的腐蚀痕迹,见图５(a);扩展区表面覆盖了一层腐蚀产物,呈泥浆状开裂形态,见图５(b),可以推断该裂纹属于典型的应力腐蚀开裂[１].对腐蚀产物层腐蚀产物,呈泥浆状开裂形态,见图５(b),可以推断该裂纹属于典型的应力腐蚀开裂[１].对腐蚀产物进行能谱扫描,扫描位置见图５(b),结果如表３所示,可见腐蚀产物中含有氧、硫等腐蚀性介质元素.
表１ QAl９Ｇ４铝青铜油缸接头的化学成分分析结果(质量分数）
Tab.１ AnalysisresultsofchemicalcompositionsofthecylinderjointofQAl９Ｇ４aluminiumbronze massfraction ％
１．５ 金相检验
将试样抛光后用 FeCl３ 盐酸溶液进行侵蚀,用金相显微镜观察到其基体显微组织为粗大枝晶状α相＋(α＋γ２ )共 析 体 ＋FeAl３[２],偏 析 较 严 重,见图６.断口处有明显的沿晶裂纹存在,晶界呈腐蚀氧化色,见图７,这与断口微观形貌相吻合.金相显微镜观 察 到 裂 源 区 显 微 组 织 为 粗 大 枝 晶 状 α 相＋(α＋γ２)共析体＋FeAl３,见图８.
２ 分析与讨论
铅不固溶于合金基体,以纯组元存在,在合金中能起到改善切削及耐磨性能的作用,但作为低熔点脆性相的元素,同时也会增加合金的脆性.铁虽然能细化合金组织,提高力学性能,但铁含量超标会使基体中的含铁相增多,降低合金的耐腐蚀性.
QAl９Ｇ４铝青铜合金基体组织中有粗大枝晶状α相,偏析严重,造成原材料的力学性能指标未达到YS/T６４９－２００７ 的验收规定,同时使得基体晶间结合力变差,组织内应力增大;同时(α＋γ２)共析体
的存在会降低合金的耐腐蚀性能.在使用过程中,由于受到交变载荷的作用(主要是拉伸应力)和使用环境中腐蚀介质的氧化作用,油缸接头在表面腐蚀锈斑处萌生裂源,发生应力腐蚀造成早期脆性断裂.
３ 结论及建议
(１)Al９Ｇ４铝青铜船用推进器转向油缸接头断裂失效的原因为:原材料力学性能偏低,铅、铁含量超标,增加了合金的脆性,降低了合金的耐腐蚀性;基体组织偏析严重,且在交变载荷及环境腐蚀氧化的作用下在表面腐蚀锈斑处萌生裂源,油缸接头发生应力腐蚀开裂并最终造成脆性断裂.
(２)建议对原材料的质量进行严格监控,了解其供货时的化学成分、力学性能和热处理状态,正确地调整原材料的热处理强化工艺,通过热处理强化获得良好的强度、韧性及耐腐蚀性.
(３)一定的材料、与之匹配的特定介质和拉应力是发生应力腐蚀断裂的主要因素[３],只要三者缺少一个,就不会发生应力腐蚀断裂.应针对使用的介质和环境,合理选材,避免形成应力腐蚀的三要素.
