Анализ причин растрескивания и механизма термической хрупкости латунного шарового крана CW617N

Латунь обладает такими преимуществами, как высокая прочность, коррозионная стойкость, устойчивость к низким температурам, хорошая технологичность и проводимость, и широко используется в таких отраслях, как электроэнергетика, связь, транспорт, химическая промышленность и производство контейнеров. Однофазная медь (伪-фаза) не подходит для горячей обработки. Поэтому двухфазные латунные сплавы (伪+尾) с лучшими свойствами термической обработки часто используются для производства горячештампованных изделий, таких как клапаны, краны и соединители труб. Однако в процессе горячей штамповки латунным сплавам необходимо выдерживать большие деформации при высоких температурах. Кроме того, структура горячештампованных изделий сложна, что может легко привести к дефектам, таким как холодные барьеры, отслаивание, складчатость и крупные зерна.

После горячей штамповки двухфазный латунный шаровой кран CW617N определенной марки треснул из-за термического охрупчивания или дал течь при испытании на герметичность. В ответ на это явление автор проверил и проанализировал морфологию трещин, путь распространения и причину образования, а также изучил механизм горячеломкости двухфазных латунных сплавов, чтобы принять меры для предотвращения повторения подобных отказов.

Спектрометр прямого считывания SPECTRO LAB LAVM10 был использован для анализа химического состава треснувшего гидроблока. Результаты представлены в таблице 1. Видно, что химический состав латунного сплава, используемого в клапане для горячей штамповки, соответствует требованиям стандарта EN 12164:2011 «Медь и медные сплавы-прутки для свободной механической обработки».

После обнаружения течи было установлено, что трещина располагалась в корпусе клапана и расширялась в осевом направлении, как показано на рис. 1а). Перехватите треснутую часть корпуса клапана и наблюдайте за морфологией поверхности трещины. Из рис. 1б) и рис. 1в видно, что явных пластических деформаций, царапин и ударов вблизи трещины нет; поверхность трещины плоская и расширяется зигзагообразно. Поэтому предварительно судят о том, что гидроблок хрупок и треснул.

Видно, что участок, свободный от трещины, и микроструктура вблизи трещины состоят из 伪-фазы (белая) и 尾-фазы (черная); размер зерен в основном одинаков, существенной разницы нет, все кристаллы равноосные; аномальной микроструктуры в области трещины не наблюдается. Из рис. 2б) и рис. 2в видно, что как магистральная, так и вторичная трещины распространяются по границе зерен, то есть форма разрушения – межкристаллитное растрескивание.

Трещину раскрывают вдоль направления распространения трещины, и микроморфологию трещины наблюдают с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ). Из рис. 3а) и рис. 3б видно, что поверхность излома относительно плоская, без пластической деформации; поверхность поверхности излома блочная или каменная, с некоторым количеством вторичных трещин и без морфологии пластического излома, такой как ямки. Это показывает, что характер отказа латунного шарового крана CW617N представляет собой типичное межкристаллитное хрупкое растрескивание.

Для выяснения причины трещины вдоль кристалла была дополнительно увеличена и изучена морфология поверхности излома, а также были видны некоторые вещества, распределенные по границе зерна. Они были белыми и яркими в режиме обратного рассеяния SEM, как показано на рисунке 3c). Анализ энергетического спектра (EDS) материала белого и яркого цвета показывает, что его химический состав состоит в основном из свинца, что указывает на явление сегрегации свинца на границе зерен.

Анализ причин появления трещин

Анализ разрушения показывает, что форма растрескивания латунного шарового крана CW617N представляет собой хрупкое разрушение вдоль кристалла. Вообще говоря, сила сцепления на границе зерна выше, чем сила сцепления внутри зерна. Только когда граница зерна ослаблена, трещина будет распространяться вдоль границы зерна и вызывать хрупкое разрушение. К основным причинам ослабления границ зерен материала относятся: включения на границах зерен или сплошное выделение хрупкой фазы; примесные элементы фосфор, сера, мышьяк, сурьма, олово, висмут, свинец и др. выделяются по границам зерен; Факторы окружающей среды Вызывает коррозию, высокотемпературную ползучесть и т. д.

В процессе службы латунных изделий из-за воздействия коррозии под напряжением часто возникают хрупкие трещины по кристаллу. Однако вышедший из строя латунный шаровой кран CW617N в данном исследовании не эксплуатировался, и не было межкристаллитных выделенных фаз или включений в микроструктуре вблизи трещин, что может исключить влияние факторов внешней коррозии и межкристаллитных выделенных фаз или включения. Результаты EDS-анализа остаточных веществ на поверхности излома и микроструктуры показывают, что на границе зерен происходит сегрегация свинца, что является основной причиной ослабления границы зерен латунного шарового крана CW617N. В сочетании с эффектом растягивающего напряжения, возникающего в процессе горячей штамповки, или остаточного напряжения в процессе охлаждения,

Анализ механизма термической хрупкости

Растрескивание латунного шарового крана CW617N вдоль кристалла происходит в основном из-за горячей хрупкости во время горячей штамповки. Явление горячего охрупчивания латуни означает, что в процессе горячей обработки в первую очередь плавится легкоплавкая эвтектика, что приводит к ослаблению или охрупчиванию границы зерен латуни, а под действием внешнего напряжения происходит хрупкое разрушение. Массовая доля свинца в латунном сырье, используемом в клапане, составляет около 2 %, а растворимость свинца в латуни менее 0,3 %, и большая его часть находится в латуни в виде свободных частиц свинца. Свинец и медь легко образуют эвтектическую структуру с низкой температурой плавления, а температура эвтектики составляет всего 326°С. Процесс горячей ковки представляет собой высокотемпературное экструзионное формование. Под действием растягивающих напряжений в процессе экструзии и охлаждения, материал склонен к хрупкому разрушению по кристаллу, то есть к горячеломкости. Явление горячеломкости в процессе горячей штамповки латуни связано с сегрегацией химических элементов в сырье, необоснованным временем пребывания при высокой температуре, скоростью экструзии и скоростью охлаждения в процессе горячей штамповки.

Вид отказа латунного шарового крана CW617N - межкристаллитное растрескивание, вызванное термическим охрупчиванием. В процессе горячей штамповки необоснованный процесс горячей штамповки приводит к тому, что свинцовый элемент собирается на границе зерен с образованием богатой свинцом легкоплавкой эвтектической фазы, а под действием растягивающих напряжений образуются межкристаллитные микротрещины. Трещины возникают из-за концентрации напряжений на поверхности корпуса клапана и расширяются в осевом направлении, что в конечном итоге приводит к разрушению излома.

Чтобы предотвратить горячую хрупкость горячештампованной латуни, следует уделять внимание строгому контролю содержания примесных элементов в сырье для уменьшения сегрегации элементов; разработать разумный процесс горячей штамповки, чтобы материал не оставался в диапазоне температур хрупкости 300–400°С в течение длительного времени; уменьшите скорость экструзии и скорость охлаждения, чтобы не создавать более высокое внутреннее напряжение.

Выбрано из: "Физическое и химическое обследование - Том физики", том 55, 2019.8