湖北钢管抗拉强度剪切强度检测机构、铜合金失效分析服务 失效分析是一门新兴发展中的学科，在提高产品质量、技术开发、改进，产品修复及仲裁失效事故等方面具有很强的实际意义。失效可能发生在产品寿命周期的各个阶段，通过对失效样品进行测试分析，确认失效模式、分析失效机理，明确失效原因，终给出预防对策，减少或避免失效的再次发生。

摘要：本文是对实际应用中失效铜合金样品进行失效分析案例，综合运用电感耦合等离子体原子发射光谱仪(ICP)、显微维氏硬度计、金相显微镜、扫描电镜（SEM-EDS）等分析仪器，通过对样品宏观外观、化学成分、晶体结构、微观形态、能谱等参数进行综合分析，从而明确失效机理，给出改进建议。

正文：

1、样品信息综述：

样品为地暖分体式分集水器，应用于家庭采暖系统中做分/集水用，使用时管内工作压力为0.3⁓0.4Mpa，市政供暖热水水温＜65℃；

失效情况：产品使用一个采暖期（一年）后复检时球阀接头在安装螺纹处断裂，失效样品集中出现在2015年8月、9月、10月生产批次的产品，失效概率为5%⁓6%；

成型工艺：坯料为连铸铜棒，对坯料铜棒经过红冲热锻后一次性成型→空冷至室温→切边和表面机加工→喷丸→电镀镍；

红冲热锻工艺：燃气喷灯加热5-10s，铜棒烧红温度达到700℃⁓800℃，热加工一次性成型；

球阀材质：铜锌合金（铅黄铜），牌号：HPb58-3。

失效分析过程：

2.1 外观检查

通过对失效球阀断口进行宏观检查分析可以得出：

1）断裂出现在位于螺纹中间的“O”型密封圈卡槽处，沿着卡槽上下的螺纹根部开始断裂，向圆周面扩展；

2）断口边缘无明显塑性变形，断口呈台阶状参差不齐，存在“之”字形扩展裂纹，由裂纹开裂方向可以判断样品受到垂直于裂纹的拉应力作用。

2.2 成分分析

产品标准：GB/T 5231-2012 加工铜及铜合金化学成分分析

检测仪器：电感耦合等离子体原子发射光谱仪（ICP）

表1：铜合金化学成分：

两种产品材质中的铜（Cu）含量均小于标准要求值，锡（Sn）含量均超过标准要求的≤0.5%，杂质元素总和含量超过标准要求，故两种产品材质不符合铅铜合金 HPb 58-3牌号的要求。

2.3 硬度测试

测试标准：GB/T 4340.1-2009 金属材料 维氏硬度试验 第1部分：试验方法

检测仪器：显微维氏硬度计

ZL-1#样的硬度值明显小于ZL-2#样的硬度；ZL-1#样硬度值基本均匀，ZL-2#样硬度值5#点的位置测试结果偏大，其他位置硬度值基本均匀。

2.4 金相分析

测试标准：YS/T 449-2002 铜及铜合金铸造和加工制品显微组织检验方法；

YS/T 347-2004 铜及铜合金 平均晶粒度测定方法

检测仪器：金相显微镜

ZL-1#样平金相图片：

对ZL-1#样品进行金相分析可得：

1）该铅铜合金金相组织为：α+β+Pb三相组成；α相为锌在铜基体中的固溶体，呈白色粗大组织；β相和Pb相腐蚀后呈灰黑色，受热加工影响β相粗大呈链条状分布，Pb相呈颗粒状（质点）分布；

2）由于热加工温度超过α相再结晶温度使得晶界交汇处出现再结晶α相；

3）螺纹端β相分布明显多于螺纹远离端β相的含量（螺纹端、螺纹远离端说明见Fig.9）；

4）通过对金相显微组织观察可以发现断口处为穿晶断裂。

ZL-2#样平金相图片：

对ZL-2#样品进行金相分析可得：

1）该铅铜合金金相组织为：α+β+Pb三相组成，α相为白色粗大组织，β相成网状分布，块状β组织含量较少；Pb相呈颗粒状（质点分布）分布，发现LZ-2#样中的Pb颗粒较LZ-1#样中的Pb相分布更多、更弥散。

2）受热加工温度影响LZ-2#金相组织中同样存在α再结晶相，但较LZ-1#样中的再结晶晶粒更细小；

3）通过对比螺纹端、中部、螺纹远离端的金相显微组织可以发现LZ-2#样三个位置的金相组织相差不大，说明整个样品中α相、β相和Pb相的分布更均匀（螺纹端、螺纹远离端说明见Fig.9）；

2.5 断口分析

检测标准：GB/T 20307-2006 纳米级长度的扫描电镜测量方法通则

检测仪器：扫描电镜

断口微观图片：

对ZL-1#样品断口进行分析可得：

1）断口宏观特征：断面无明显塑性变形，断口呈台阶状，裂纹沿垂直于拉应力的方向扩展；

2）断口微观特征：断口微观形貌中无韧性断裂特征，断口形貌为层状断口，断裂面存在连续和不连续的分叉二次裂纹，二次裂纹的断口中存在脆性断裂特征——解理台阶，上述断口微观形貌均符合应力腐蚀开裂的特征；

3）断口中存在大量的疏松孔洞，结合能谱分析可以得出沿着CuZn电子化合物周围出现疏松孔洞，可能为脱锌腐蚀导致；

4）结合能谱分析发现在螺纹加工面位置4和位置5的成分基本相同，可以得出该位置出现的连续黑色质点为气孔。

2.6 能谱分析

检测标准：GB/T 17359-2012 微束分析 能谱法定量分析

检测仪器：扫描电镜

1）通过位置1和位置2的成分分析可以发现位置1处的片状白色氧化物为氧化锌，位置2为铜锌基体，说明断口处锌的分布不均匀；

2）位置3为CuZn电子化合物；

3）位置4和位置5处的成分基本相同，故黑色连续质点为气孔；

4）位置6为球阀内腔中的黄色腐蚀物为三氧化二铁（Fe2O3）,结合该铜合金化学成分分析的结果中铁（Fe）的含量可以判断，球阀内腔中铁锈可能为从管道中引入沉积于球阀内壁。

3、失效分析结论

综上分析可得，LZ-1#样断裂失效的原因为：热加工温度的不均匀使得脆性β相较大且呈带状分布，极大的降低了材料的塑性；球阀中存在较大的轴向残余内应力，安装后球阀受到拉应力作用；试样在潮湿的空气或水中，铜合金沿加工损伤/缺口或材料组织缺陷（如气孔等）处发生腐蚀，产生疏松孔洞等缺陷，导致试样发生腐蚀应力开裂