摘 要:船舶用帶銅襯套通艙管件焊接后造成表面開裂。采用化學成分分析、金相檢驗、斷口分 析和拉伸試驗等方法,分析了管件開裂的原因。結果表明:帶銅襯套通艙管件端面開裂類型為液態 金屬致脆開裂;在焊接過程中,S221錫黃銅中的低熔點金屬從管件端面沿晶界進入材料內部,導致 管件脆化形成裂紋,在拉應力作用下,裂紋擴展造成管件端面發生開裂。
關鍵詞:帶銅襯套通艙管件;液態金屬致脆開裂;失效分析
中圖分類號:TG115 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2022)01-0033-04
帶銅襯套通艙管件通常用于船舶海水管路系統 中,該類管件規格齊全,價格適中,具有較好的防海 洋生物污損性能。在實際安裝過程中,通常采用黃 銅釬焊的方法將法蘭與管件本體進行連接,以保證 帶銅襯套通艙管件的密封性[1]。某帶銅襯套通艙管 件的本體材料為20Cr鋼,狀態為調質態。焊接前管 件本體端面未發現肉眼可見的裂紋,焊接后采用滲 透探傷,可見多條裂紋,焊接材料為 S221 錫黃銅, 焊接方式為釬焊。為找出帶銅襯套通艙管件表面裂 紋產生的原因,筆者對其進行了一系列理化檢驗和 分析。
1 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
開裂帶銅襯套通艙管件的宏觀形貌見圖1a), 管件本體表面呈金屬色,管件心部為銅襯套,法蘭與 管件本體之間存在一圈黃銅色釬焊填充物,未發現 明顯裂紋。滲透探傷后觀察,可見管件本體端面存 在多條細小裂紋,裂紋沿管件圓心向周圍呈放射狀 分布,見圖1b)。
1.2 化學成分分析
對帶銅襯套通艙管件本體進行化學成分分析, 結果見表1,可見管件本體的化學成分符合 GB/T 3077-1999《合 金 結 構 鋼》標 準 對 20Cr鋼 的 技 術 要求。
1.3 拉伸試驗
在帶銅襯套通艙管件本體截取試樣進行拉伸試 驗,結果見表2,可見管件本體的屈服強度、抗拉強 度均不符合 GB/T3077-1999標準對20Cr鋼的技 術要求,伸長率和斷面收縮率符合標準要求。
1.4 斷口分析
在帶銅襯套通艙管件本體端面裂紋較多的區域 截取試樣,沿裂紋將試樣斷開,觀察其斷口的微觀形 貌。由圖2可見,斷口整體呈沿晶斷裂的形貌特征, 部分區域晶粒表面呈熔融形貌。對沿晶斷裂和熔融 特征明顯的區域進行能譜分析。由表3可見,斷口 處的氧含量極低,且含有一定量的銅、鋅、錫等元素, 其中沿晶斷裂區域的銅含量較低,熔融特征明顯區域 主要含銅和鋅元素,以及少量的鐵、錫元素。
1.5 金相檢驗
裂紋沿帶銅襯套通艙管件本體端面圓心向四 周呈放射 狀 分 布。由 圖 3 可 見:帶 銅 套 通 艙 管 件 本體表面裂 紋 內 存 在 黃 色 物 質;管 件 本 體 的 顯 微 組織為 鐵 素 體 + 珠 光 體 組 織,裂 紋 沿 晶 界 擴 展。 對裂紋內黃色物質進行能譜分析,結果見表4,可 見其主要成分為銅,質量分數約為60%,鋅質量分 數約為30%。
2 分析與討論
帶銅襯套通艙管件本體的化學成分符合 GB/T 3077-1999標準對20Cr鋼的技術要求。管件本體 的屈服強度、抗拉強度均低于標準要求,伸長率和斷 面收縮率符合標準要求,拉伸性能不合格。
帶銅襯套通艙管件本體端面存在多條細小裂 紋,裂紋沿管件端面圓心向周圍呈放射狀分布。將 管件沿裂紋斷開后,其斷口整體呈沿晶斷裂特征,部 分區域晶粒表面呈熔融特征形貌,局部區域表面可 見一層覆蓋物,斷口處氧含量極低,且含有一定量的 銅、鋅、錫等元素。金相檢驗結果表明:管件本體的 顯微組織為鐵素體+珠光體組織,這與調質處理后 的顯微組織不符;裂紋均沿晶界擴展,裂紋內存在黃 色物質,其主要化學成分為銅、鋅、鐵、錫,這與焊接 材料S221錫黃銅的主要化學成分基本一致。
焊接是在溫度較高的含氧環境中進行的,斷口 未發現明顯氧化特征,能譜分析也未發現較高含量 的氧元素,因此排除裂紋是在焊接前產生的。有研究表明,在一定的溫度和拉應力作用下,低熔點金屬 容易從零件表面沿晶界進入材料內部,使材料脆化, 形成裂紋,進而導致零件失效,這種類型的開裂被稱 為液態金屬致脆開裂[2]。一般認為,當零件實際溫 度達到低熔點金屬熔點的2/3或1/2時,在拉應力 作用下,低熔點金屬即會沿晶界滲入金屬內部致使 材料脆化而逐漸形成裂紋。低熔點金屬受熱液化 時,若與固體金屬表面直接接觸,在拉應力作用下會 在固體金屬表面起裂,裂紋尖端吸附低熔點金屬液 態原子,進一步降低固體金屬的晶體結合強度,導致 裂紋沿晶界擴展。
S221錫黃銅為低熔點金屬,若焊接工藝控制不 當,焊材金屬與管件本體接觸時極易產生液態金屬 致脆開裂現象,管件本體的異常顯微組織對低熔點 金屬沿晶界擴散有促進作用。
綜上所述,帶銅襯套通艙管件開裂的類型屬于 液態金 屬 致 脆 開 裂。在 焊 接 過 程 中,低 熔 點 金 屬 S221錫黃銅從管件本體端面沿晶界進入材料內部, 導致材料脆化,形成裂紋。
3 結論及建議
(1)帶銅襯套通艙管件開裂模式為液態金屬致 脆開裂。在焊接過程中,S221錫黃銅中的低熔點金 屬從管件本體端面沿晶界進入材料內部,導致材料脆化,形成裂紋,管件本體的異常顯微組織對低熔點 金屬沿晶界擴散有促進作用。
(2)建議嚴格控制管件本體的熱處理工藝及顯 微組織,通過預熱、控制焊接溫度等措施縮短管件在 高溫環境中的停留時間。經驗證,控制管件本體組 織為回火索氏體,焊接前,管件經300 ℃預熱,焊接 過程中溫度保持在300~350 ℃,管件本體未發生 開裂。
參考文獻:
[1] 姜軍記,俞健,李光磊,等.帶銅襯套通艙管件的防腐 治理[J].艦船科學技術,2013,35(6):103-108.
[2] 張權明,遲淳,張勇,等.液態金屬致脆失效案例分析 [J].物理測試,2008,26(6):51-53.