黄铜制品开裂原因分析

作者：信息来源:模具 2008-5-31

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摘要：对早期严重失效的行星齿轮进行宏观和微观组织检测对比分析，提出改进措施。扩展型裂纹中图分类号：TG162。由金相试样观察到，失效轮齿渗碳表层存在明显网状和半网状碳化物(图1)，靠齿心部的回火马氏体和索氏体组织较粗大(图2)，在轮齿剥落掉块处发现扩展型沿晶裂纹...

摘　要：对早期严重失效的行星齿轮进行宏观和微观组织检测对比分析，提出改进措施。
关键词：行星齿轮；网状碳化物；扩展型裂纹
中图分类号：TG162.73　文献标识码：A
文章编号：1001-3814(2000)01-0049-02

Failure Analysis of Epicyclic Gear

ZHU Jie-wu
（Department of Physics,Hanzhong Teachers College）

Abstract：Teh repot relative failure analyzed epicyclic gear of early serious failure make use of macrographic examination and micrographic observation and advanced correct ways.
Key words：epicyclic gear; network cementite; develop microcrack▲

　　某变速器用户提供变速器早期失效和未失效行星齿轮，要求确定引起早期失效的主要因素，以便明确责任，采取措施，保证行星齿轮正常服役。

1　检测与结果

　　调查知，该行星齿轮用钢为20Mn2。失效齿轮取样测定成分w(%)为：0.29C，1.70Mn，0.38Si；未失效齿轮取样测定成分w(%)为：0.23C，1.6Mn，0.36Si。热处理工艺技术要求为：轮齿表面渗碳层厚度应为0.9～1.2 mm，淬火低温回火后齿表面硬度应为56～58 HRC，齿心部硬度为30～45 HRC，渗碳表面层不允许出现网状碳化物。宏观并放大(6×)观察，失效轮齿面程度不同的存在剥落掉块，未失效轮齿面光滑；测定失效轮齿表面硬度58～61 HRC，未失效轮齿表面硬度为57～58 HRC；失效轮齿渗碳层厚度1.5 mm，而未失效轮齿渗碳层厚1.0 mm。由金相试样观察到，失效轮齿渗碳表层存在明显网状和半网状碳化物(图1)，靠齿心部的回火马氏体和索氏体组织较粗大(图2)，在轮齿剥落掉块处发现扩展型沿晶裂纹(图3)；未失效轮齿渗碳层无网状碳化物(图4)，靠齿心部组织较细小(图5)。

图1　黄铜开裂件的宏观形貌

2　金相组织分析

　　制备黄铜开裂件的金相样品，检验与裂纹垂直截面上的金相组织，发现圆筒外表层晶粒较内部粗大，与纯铜组织相似。黄铜脱锌腐蚀的典型特征。内部组织为α+β_少双相组织，其上分布有黑灰色颗粒，估计可能为铁相(根据测定的化学成分)^［1］，见图2

图2　开裂件的金相组织　400×

3　化学成分分析

　　在新鲜断口上，用电子探针测定材料的平均成分(表1)。从分析数据看，材料成分基本正常，但局部含铁量高，有偏析(标准～0.5%)。

表1　用电子探针测定的材料的平均成分

<DIV align=center>元素FeCuZn含量(w,%)0.58660.97738.438</DIV>

4　开裂件的扫描电镜分析

4.1　裂纹走向及形貌
　　裂纹起源于端部，走向与冷变形方向(轴向)基本一致，见图3。该方向正好与冷变形引起的最大残余拉应力方向相垂直(即周向)，说明裂纹是由残余拉应力作用所致。

图3　主裂纹走向形貌

　　图4的形貌为裂纹尖端的开裂特征。可见在主裂纹尖端两侧伴有不少滑移台阶及滑移台阶发展而成的众多的微细分叉裂纹，它们的走向与主裂纹基本一致，这些分叉裂纹是应力腐蚀开裂的重要特征。

图4　主裂纹尖端的开裂特征

　　在个别区域可见横向(周向)开裂特征，它们也与主裂纹相连，但这些横向裂纹与周向加工痕迹重合，这说明机加工缺口效应对这些裂纹的形成起了促进作用，见图5。

图5　与主裂纹相连的横向裂纹

4.2　断口形貌分析
　　对有裂纹的黄铜件施加压力，使其沿主裂纹完全断开，分别观察原始开裂区及在外力作用下的静断区断口形貌。原始开裂区显示出典型的脆性断裂特征，断口以穿晶型的解理花样为主，也有少量的沿晶脆断特征。此外，断口上还有大量连续和非连续的二次裂纹，这些断裂形貌是应力腐蚀开裂的基本特征，见图6。

图6　原始开裂区的断裂形貌

　　静断区形貌不同于原开裂区形貌，它是典型的韧窝断裂特征，但韧窝间距小，深度浅，表明材料开裂前原始塑性较低，见图7。

图7　静断区断口形貌

5　分析与讨论

5.1　从材料成分、金相组织方面考虑
　　黄铜应力腐蚀的敏感性随锌含量的增加而增大，特别是当黄铜锌含量大于20%以后，即高锌的α相或β相敏感性更大。所选材料含锌量偏高，为38%～39%之间，这对提高强度有利，却易产生应力腐蚀，增大开裂倾向。
　　黄铜的晶粒度对其开裂也有一定的影响，晶粒越大，开裂倾向越大。由黄铜的金相组织分析知：外表层晶粒比内部明显粗大，外表层又直接与介质接触，所以，腐蚀开裂由圆筒外端部起源，外表层组织已出现脱锌腐蚀，与纯铜组织相似。至于内外晶粒大小存在差别的原因，可以认为：其一与黄铜冷变形不均匀有关；其二黄铜中铁含量偏析对此也有不利影响。
5.2　从残余应力方面分析
　　若黄铜制品中无残余应力存在，腐蚀很难向深处侵入。只有当黄铜制品存在残余应力时，在周围介质(如潮湿空气)的作用下，腐蚀沿应力分布不均匀的晶粒边界进行，并在拉应力作用下导致开裂。该黄铜制品本身存在残余应力，而且残余拉应力沿圆筒周向分布，与裂纹垂直。此残余拉应力促使腐蚀介质向内部侵入，使腐蚀裂纹向纵深发展。
5.3　从环境因素方面考虑
　　在黄铜制品的存放期间，雨季较，使空气相对湿度增高，这也对黄铜开裂带来不利影响。

6　结论

　　根据上述实验结果与分析讨论，可以得出：该黄铜制品的开裂属应力腐蚀开裂所致，它是在冷加工残余拉应力的作用下，锌在黄铜晶间选择性腐蚀的结果。

7　措施

　　(1)充分进行低温消除应力退火，消除黄铜制品在冷加工时产生的残余应力。去应力退火后，防止制品重新受到局部加工变形或碰伤等。
　　(2)在强度许可的情况下，尽量选用含锌低的黄铜材料。注意化学成分不但要合格，还应无偏析存在。
　　(3)控制冷加工变形度，避免造成不均匀的变形。
　　(4)黄铜制品应存放在远离腐蚀气氛的地方，尤其是含氨气氛附近。■

作者简介：顾美转(1958-)，女，陕西西安，工程师。
作者单位：（西安交通大学材料科学与工程学院，陕西西安 710049）