分水器铜阀断裂原因分析

吴文祥++尚灿++陈旭东++洪松

摘 要：铅黄铜因具有优良切削性能、耐磨性能且成本低廉而广泛应用于各类阀体中。铜阀在使用过程中，会受到内应力和工作应力的共同作用，一旦断裂失效会造成漏水事故的发生，产生严重后果。采用金相检验、硬度测试等方法对分水器铜阀断裂原因进行了分析。结果表明，由于铜阀显微组织中β相晶粒异常粗大，造成铜阀硬度增大、脆性增加，导致铜阀在加工及后续使用过程中产生裂纹而发生脆性断裂。

关键词：铜阀；富铅相；断裂

中图分类号：TG146.1 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）01-0079-02

铅黄铜因具有优良切削性能、耐磨性能且成本低廉而广泛应用于各类阀体中。铜阀在使用过程中，会受到内应力和工作应力的共同作用，一旦断裂失效会造成漏水事故的发生，产生严重后果。目前，国内学者对铜阀断裂原因进行了大量研究[1-3]。陈彩霞等人[1]发现铅黄铜阀盖热处理不当，显微组织α相沿着晶界呈网状分布，导致RHPb56-4铅黄铜空调水阀门在使用5个月后发生断裂。莫明珍等人[2]研究發现，ZHPb59-1铜阀在加工应力和安装应力的共同作用下，在潮湿的环境中短期会发生应力腐蚀开裂。

某型号地暖分水器铜阀在使用过程中发生断裂，造成漏水事故。为了探明该铜阀断裂的原因，本文对其进行了断裂失效分析。

1 试验材料与方法

断裂失效的分水器铜阀宏观形貌如图1所示。将铜阀从左到右依次编号，分别为1#～6#，其中4#铜阀在螺纹处发生断裂，其余铜阀连接完好。对4#铜阀进行外观检查，未发现其表面存在变形、划伤等明显外力作用痕迹。为了分析4#铜阀断裂原因，随机选取5#铜阀与4#铜阀作比对分析，对5#铜阀进行外力破坏试验，使其在螺纹处发生断裂。对4#铜阀和5#铜阀的断口形貌、金相组织以及硬度进行比对分析。采用OLYMPUS BX51M光学显微镜和HVS-10维氏硬度计分别对铜阀螺纹处进行金相组织和维氏硬度检验。采用单反相机和 LEICA S8APO体视显微镜对铜阀断口进行宏观分析。断口微观形貌观察和能谱分析在HITACHI S-4800扫描电子显微镜上进行。

2 试验结果

2.1 化学成分分析

将4#、5#铜阀切割、研磨、抛光后，依据GB/T 17359-2012《微束分析能谱法定量分析》采用扫描电子显微镜附带的X射线能谱仪对铜阀材料进行成分分析，分析范围为200×300μm，采集时间为100s，检测结果如表1所示。由表1可知，4#、5#铜阀中Cu、Zn、Pb元素含量较为接近，4#铜阀中Sn含量高于5#铜阀。由于能谱分析区域较小，无法准确反映铜阀的实际成分，但由能谱分析结果可知，4#、5#铜阀均为铅黄铜。

2.2 断口分析

对4#铜阀断口进行宏观检查发现，断口位于铜阀连接的螺纹部位，断口部位未见明显塑性变形，断口表面凹凸不平，如图2（a）所示。5#铜阀断口为外力破坏断口，其宏观形貌如图2（b）所示。可以看出，5#铜阀断口与4#铜阀断口明显不同，5#铜阀断口较为平齐，无明显氧化和腐蚀现象。

采用体视显微镜对图2中4#铜阀断口A区和B区进一步放大观察，如图3所示。A区存在明显放射状形貌，为断裂源区，B区为相邻螺纹根部连接处，为最后断裂区。对图2中C区进行扫描电子显微镜观察，如图4所示。可以看出，存在解理扇形花样，为典型的脆性断口特征。从扇形花样可以看出，裂纹扩展方向为由上往下扩展。同时，在高倍扫描电镜下可以观察到大量平行的二次裂纹和孔洞，如图4（b）所示。

为了探明孔洞的形成原因，将4#铜阀切割、研磨、抛光后在扫描电子显微镜高倍下观察，如图5所示。可以看出，4#铜阀基体内存在大量弥散分布、尺寸较小的第二相颗粒，这些颗粒尺寸一般在2μm以下。能谱分析表明，这些第二相颗粒为富铅相。4#铜阀发生脆性断裂后，断口上富铅相脱落，形成图4（b）中所示的孔洞形貌。

对图2中5#铜阀D区断口进行微观观察，如图6所示。从图6可以看出，5#铜阀与4#铜阀微观断口形貌显著不同，5#铜阀断口出现大量韧窝，为典型的韧性断口特征。同时，几乎每个韧窝中都存在第二相颗粒，这些颗粒尺寸一般在2μm以下。对图6中白色箭头所指的颗粒进行能谱分析表明，这些颗粒中铅含量很高，为富铅相。

2.3 金相检验

对4#、5#铜阀断口附近部位进行金相检验，结果如图7所示，其中灰色相为β相，白色相为α相，黑色颗粒为富铅相。由图7可以看出，4#、5#铜阀的相组成均为α+β+Pb相，但4#铜阀显微组织与5#铜阀明显不同。4#铜阀显微组织中β相晶粒异常粗大，α相呈针状、块状沿β相晶界及晶内析出，而5#铜阀显微组织中β相和α相数量较为均衡，组织较为细密。

2.4 硬度测试

依据GB/T 4340.1-2009《金属材料维氏硬度试验第1部分：试验方法》对4#、5#铜阀硬度进行测试。检测结果显示，4#铜阀硬度达到158HV5，而5#铜阀硬度仅为130HV5。

3 分析与讨论

由能谱分析结果可知，4#断裂铜阀和5#未断裂铜阀的材料均为铅黄铜，两者基体中均含有大量尺寸较小、弥散分布的富铅相。铅几乎不固溶于铜-锌合金中，经过压力加工，铅以游离的质点分布于固溶体内，游离的铅质点具有润滑和减磨的作用，故铅黄铜具有极高的切削性能，适宜于自动高速车床加工零件[4]。但如果铜阀材料中的铅分布不均匀，发生偏析，形成大量条状聚集的粗大游离铅组织，会造成材料强度严重下降，易导致铜阀断裂[5]。从4#、5#铜阀中富铅相的形貌和分布可以看出，富铅相都呈细小、弥散分布，因此，铜阀断裂与富铅相无关。

由金相检验结果可知，4#铜阀显微组织为粗大的β相+呈针状、块状沿β相晶界及晶内析出的α相+游离Pb相，而5#铜阀显微组织中α相、β相较为细小、均匀。由于室温下β相为硬脆相，所以4#铜阀的硬度明显比5#铜阀的硬度高。由断口分析可知，4#铜阀断口为脆性断口，5#铜阀在外力作用下的断口为韧性断口。

通过上述分析，可以推断铜阀断裂的主要原因是：由于铜阀显微组织中β相晶粒异常粗大，造成铜阀硬度增大、脆性增加，导致铜阀在加工及后续使用过程中产生裂纹而发生脆性断裂。

4 结语

分水器铜阀的断裂属于脆性断裂。由于铜阀显微组织中β相晶粒异常粗大，造成铜阀硬度增大、脆性增加，是铜阀发生脆性断裂的根本原因。

参考文献：

[1]陈彩霞，郑杨艳.空调水铜阀断裂原因分析及预防[J].金属热处理，2015.

[2]莫明珍等.铜阀应力腐蚀开裂分析[J].热加工工艺，2014.

[3]张鸣等.铅黄铜阀体开裂原因分析[J].材料研究与应用，2009.