制動(dòng)器管裂紋原因分析

魏秋華

(內(nèi)蒙古第一機(jī)械制造集團(tuán)有限公司，包頭 014032)

制動(dòng)器管裂紋原因分析

魏秋華

(內(nèi)蒙古第一機(jī)械制造集團(tuán)有限公司，包頭 014032)

重型汽車制動(dòng)器管在潮濕的環(huán)境中使用時(shí)發(fā)生破裂，采用化學(xué)成分分析、力學(xué)性能試驗(yàn)、斷口分析和金相分析等方法對(duì)破裂的制動(dòng)器管進(jìn)行分析。結(jié)果表明，制動(dòng)器管的裂紋主要產(chǎn)生于存在加工應(yīng)力的彎曲部位，應(yīng)力腐蝕是造成其破裂的主要原因。同時(shí)在選材方面提出建議。

裂紋 破裂 斷口 應(yīng)力腐蝕 腐蝕產(chǎn)物

國(guó)內(nèi)某廠生產(chǎn)的重型汽車在重慶運(yùn)行3至5個(gè)月后，陸續(xù)發(fā)生剎車系統(tǒng)失靈現(xiàn)象，對(duì)不同生產(chǎn)批次的車輛逐一拆卸檢查，發(fā)現(xiàn)制動(dòng)器管有裂紋和破裂泄露，實(shí)物如圖1(a)所示。該管采用規(guī)格為12 mm×1.5 mm的H62Y2黃銅管制造，產(chǎn)品加工過(guò)程較為簡(jiǎn)單，采用管料直接進(jìn)行冷彎成型后裝配使用。制動(dòng)器管與發(fā)動(dòng)機(jī)相連接，工作時(shí)管內(nèi)通入空氣介質(zhì)，工作壓力為1 MPa，介質(zhì)溫度為200～220℃，由于空氣來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)，內(nèi)中含有少量的油和水分。為分析出現(xiàn)裂紋的原因，筆者對(duì)使用中出現(xiàn)裂紋的制動(dòng)器管(管1)和未經(jīng)使用的制動(dòng)器管(管2)進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，并提出了改進(jìn)意見(jiàn)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 裂紋宏觀形貌

用美國(guó)生產(chǎn)的H1-SCOPE Advanced KH-3000三維視頻顯微鏡觀察制動(dòng)器管的裂紋及外觀質(zhì)量，管1的裂紋集中分布在兩個(gè)部位，一處在管的彎臂內(nèi)側(cè)，并與管的軸線方向垂直，有兩條裂紋貫穿管的壁厚，其余為細(xì)小裂紋，形似金屬擠壓變形時(shí)產(chǎn)生的褶皺，如圖1(b)、(c)所示。另一處與銅管的軸線方向呈一傾斜角，裂紋開(kāi)口較寬，已貫穿壁厚，如圖1(c)所示。而管2未發(fā)現(xiàn)裂紋及冶金缺陷。

1.2 斷口分析

(1)斷口宏觀分析

在圖1(c)所示部位截取一段裂紋，并沿裂紋打斷后觀察斷口形貌，可見(jiàn)斷面顏色灰暗，有明顯的腐蝕物沉積，低倍形態(tài)呈現(xiàn)顆粒狀，主要表現(xiàn)為沿晶特征。而裂紋附近新打開(kāi)的斷面則呈現(xiàn)正常的黃銅光澤。

(2)斷口微觀分析

用日本S3400型掃描電鏡對(duì)上述斷口進(jìn)行微觀分析，可見(jiàn)顏色灰暗部分的裂紋周邊無(wú)塑性變形痕跡，斷口上未見(jiàn)疲勞源或疲勞輝紋，整個(gè)斷面表現(xiàn)出典型的沿晶斷裂特征，存在較多二次裂紋，裂紋微觀形貌如圖2和圖3所示。用EDS對(duì)斷口表面的腐蝕物進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 能譜分析結(jié)果

分析結(jié)果表明，斷口表面的腐蝕產(chǎn)物除含量很高的氧外，還含有鈉、鎂、鋁、硅、磷、硫、氯、鉀、鈣元素。而在有黃銅光澤的新鮮斷口部分進(jìn)行同樣的分析，則只顯示有銅和鋅元素，為正常斷口。

1.3 化學(xué)成分分析

按照GB/T 1527-1997標(biāo)準(zhǔn)對(duì)制動(dòng)器管的化學(xué)成分進(jìn)行分析，測(cè)得質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 Cu 63.41%、Pb 0.18%，與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定(Cu 60.5%～63.5%和Pb≤0.08%)相比，鉛超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值。鉛作為雜質(zhì)元素存在于銅合金中，它在銅中的溶解度很小，并形成低熔(326℃)共晶的雜質(zhì)［1］，會(huì)在熱加工時(shí)產(chǎn)生熱脆，應(yīng)嚴(yán)格控制。

1.4 拉伸試驗(yàn)

從管1和管2的直管部位分別截取拉伸試樣，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。表2數(shù)據(jù)表明，管2的抗拉強(qiáng)度和延伸率均高于標(biāo)準(zhǔn)要求，而管1的延伸率遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求，與管2相比抗拉強(qiáng)度也明顯下降，因此判斷，未經(jīng)使用的管2力學(xué)性能良好，而使用后的管1處于脆性狀態(tài)。

表2 拉伸試樣結(jié)果

1.5 金相分析

(1)裂紋形態(tài)

在圖1(b)和圖1(c)所示的兩個(gè)裂紋部位分別取樣置于顯微鏡下觀察，圖1(b)所示的裂紋垂直于管的軸線方向，主裂紋貫穿壁厚，以穿晶型擴(kuò)展為主，有許多晶間型裂紋分叉，如圖4(a)和圖4(b)所示。圖1(c)所示的裂紋貫穿管的壁厚，開(kāi)口較寬，附近有多條起始于表面的小裂紋，起始附近以穿晶型擴(kuò)展為主，而向尾部發(fā)展則逐漸轉(zhuǎn)化為晶間型斷裂，整體形態(tài)呈枯樹(shù)枝狀，有主裂紋和分叉，如圖5(a)和圖5(b)所示。可見(jiàn)兩處裂紋均符合應(yīng)力腐蝕的微觀形貌特征。

選擇相同部位，在管2上取樣置于顯微鏡下觀察，未發(fā)現(xiàn)裂紋和其它破壞金屬連續(xù)性的缺陷。

(2)顯微組織

用氯化鐵鹽酸水溶液將試樣浸蝕后，分別在顯微鏡下觀察管1的基體及裂紋附近和管2基體的金相組織，結(jié)果是它們的顯微組織相同，均為單相的α銅組織，晶粒無(wú)顯著粗化，但存在大小不均現(xiàn)象，其間有少量孿晶。裂紋處及其附近的晶粒和組織與基體無(wú)差別，金相組織顯微圖見(jiàn)圖6。

2 分析與討論

從以上分析結(jié)果可以看出，剎車銅管的裂紋主要出現(xiàn)在彎壁處，該處由于彎曲產(chǎn)生永久塑性變形，存在大量的位錯(cuò)塞積，往往成為腐蝕的形核處，圖1中顯示的宏觀裂紋分布形態(tài)和裂紋的微觀形貌特征充分證明了這一點(diǎn)。同時(shí)，斷口上的腐蝕產(chǎn)物中含有鈉、鎂、鋁、硅、磷、硫、氯、鉀、鈣元素，而發(fā)動(dòng)機(jī)油的添加劑中通常含有硫化物、氯和磷，以及金屬鹽等，這正好與制動(dòng)器管在工作時(shí)通入的、來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣中含有少量的油和水分的情況相吻合，因此，制動(dòng)器管破裂符合應(yīng)力腐蝕特征。

根據(jù)資料介紹，與應(yīng)力腐蝕有關(guān)的主要因素是使用過(guò)程中應(yīng)力集中和環(huán)境的共同作用，為了防止銅合金應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂可采用消除應(yīng)力退火、表面噴丸［2］。另外，銅合金在水和水蒸氣的環(huán)境中易于產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕破裂，當(dāng)黃銅中的含Zn量大于20%且有內(nèi)應(yīng)力存在時(shí)在潮濕的環(huán)境中最容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕［2］，因此建議更換其他材料以防止應(yīng)力腐蝕的發(fā)生。Pb在銅中形成低熔點(diǎn)的共晶雜質(zhì)，會(huì)惡化熱加工性能，是最為有害的元素，應(yīng)嚴(yán)格加以控制。

3 結(jié)語(yǔ)

采用化學(xué)成分分析、力學(xué)性能試驗(yàn)、斷口分析和金相分析等方法對(duì)破裂的制動(dòng)器管進(jìn)行分析。結(jié)果表明，應(yīng)力腐蝕是剎車銅管產(chǎn)生裂紋而失效的原因。

［1］郭凱旋.銅和銅合金牌號(hào)與金相圖譜速用速查及金相檢測(cè)技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用指導(dǎo)手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)知識(shí)出版社，2005.

［2］胡世賢.機(jī)械失效分析手冊(cè)［M］.成都：四川科學(xué)技術(shù)出版社，1999.

ANALYSIS OF THE REASON FOR THE HOLDFAST TUBE CRACK

Wei Qiuhua
(Inner Mongolia First Machinery Group Co.，Ltd，Baotou 014032，China)

The heavy type autocar holdfast tube being used in the damp environment was fractured.The broken holdfast tube was analyzed by the chemical composition analysis，mechanics performance test，the fracture analysis and gold mutually analyze method.The result showed that the crack of the holdfast tube mainly was produced in the bent part which processes the stress，and the stress corrosion was main reason of its fracture.The suggestion at chooses the material was put forward.

crack，fracture，the stress corrosion，decay the outcome

2011-10-16