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,S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:TG文献标志码:B文章编号:-()01--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S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-《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/T-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-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S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。
S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S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,S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℃预热,焊接过程中温度保持在~℃,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,,35(6):-.
[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,,26(6):51-53.
文章来源材料与测试网期刊论文理化检验－物理分册58卷1期(pp:33-36)