湖北鋼管抗拉強度剪切強度檢測機構(gòu)、銅合金失效分析服務(wù) 失效分析是一門新興發(fā)展中的學(xué)科，在提高產(chǎn)品質(zhì)量、技術(shù)開發(fā)、改進，產(chǎn)品修復(fù)及仲裁失效事故等方面具有很強的實際意義。失效可能發(fā)生在產(chǎn)品壽命周期的各個階段，通過對失效樣品進行測試分析，確認失效模式、分析失效機理，明確失效原因，終給出預(yù)防對策，減少或避免失效的再次發(fā)生。
摘要：本文是對實際應(yīng)用中失效銅合金樣品進行失效分析案例，綜合運用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀(ICP)、顯微維氏硬度計、金相顯微鏡、掃描電鏡（SEM-EDS）等分析儀器，通過對樣品宏觀外觀、化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)、微觀形態(tài)、能譜等參數(shù)進行綜合分析，從而明確失效機理，給出改進建議。
正文：
1、樣品信息綜述：
樣品為地暖分體式分集水器，應(yīng)用于家庭采暖系統(tǒng)中做分/集水用，使用時管內(nèi)工作壓力為0.3?0.4Mpa，市政供暖熱水水溫＜65℃；
失效情況：產(chǎn)品使用一個采暖期（一年）后復(fù)檢時球閥接頭在安裝螺紋處斷裂，失效樣品集中出現(xiàn)在2015年8月、9月、10月生產(chǎn)批次的產(chǎn)品，失效概率為5%?6%；
成型工藝：坯料為連鑄銅棒，對坯料銅棒經(jīng)過紅沖熱鍛后一次性成型→空冷至室溫→切邊和表面機加工→噴丸→電鍍鎳；
紅沖熱鍛工藝：燃氣噴燈加熱5-10s，銅棒燒紅溫度達到700℃?800℃，熱加工一次性成型；
球閥材質(zhì)：銅鋅合金（鉛黃銅），牌號：HPb58-3。
失效分析過程：
2.1 外觀檢查
通過對失效球閥斷口進行宏觀檢查分析可以得出：
1）斷裂出現(xiàn)在位于螺紋中間的“O”型密封圈卡槽處，沿著卡槽上下的螺紋根部開始斷裂，向圓周面擴展；
2）斷口邊緣無明顯塑性變形，斷口呈臺階狀參差不齊，存在“之”字形擴展裂紋，由裂紋開裂方向可以判斷樣品受到垂直于裂紋的拉應(yīng)力作用。
2.2 成分分析
產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 5231-2012 加工銅及銅合金化學(xué)成分分析
檢測儀器：電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀（ICP）
表1：銅合金化學(xué)成分：
兩種產(chǎn)品材質(zhì)中的銅（Cu）含量均小于標(biāo)準(zhǔn)要求值，錫（Sn）含量均超過標(biāo)準(zhǔn)要求的≤0.5%，雜質(zhì)元素總和含量超過標(biāo)準(zhǔn)要求，故兩種產(chǎn)品材質(zhì)不符合鉛銅合金 HPb 58-3牌號的要求。
2.3 硬度測試
測試標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 4340.1-2009 金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法
檢測儀器：顯微維氏硬度計
ZL-1#樣的硬度值明顯小于ZL-2#樣的硬度；ZL-1#樣硬度值基本均勻，ZL-2#樣硬度值5#點的位置測試結(jié)果偏大，其他位置硬度值基本均勻。
2.4 金相分析
測試標(biāo)準(zhǔn)：YS/T 449-2002 銅及銅合金鑄造和加工制品顯微組織檢驗方法；
YS/T 347-2004 銅及銅合金 平均晶粒度測定方法
檢測儀器：金相顯微鏡
ZL-1#樣平金相圖片：
對ZL-1#樣品進行金相分析可得：
1）該鉛銅合金金相組織為：α+β+Pb三相組成；α相為鋅在銅基體中的固溶體，呈白色粗大組織；β相和Pb相腐蝕后呈灰黑色，受熱加工影響β相粗大呈鏈條狀分布，Pb相呈顆粒狀（質(zhì)點）分布；
2）由于熱加工溫度超過α相再結(jié)晶溫度使得晶界交匯處出現(xiàn)再結(jié)晶α相；
3）螺紋端β相分布明顯多于螺紋遠離端β相的含量（螺紋端、螺紋遠離端說明見Fig.9）；
4）通過對金相顯微組織觀察可以發(fā)現(xiàn)斷口處為穿晶斷裂。
ZL-2#樣平金相圖片：
對ZL-2#樣品進行金相分析可得：
1）該鉛銅合金金相組織為：α+β+Pb三相組成，α相為白色粗大組織，β相成網(wǎng)狀分布，塊狀β組織含量較少；Pb相呈顆粒狀（質(zhì)點分布）分布，發(fā)現(xiàn)LZ-2#樣中的Pb顆粒較LZ-1#樣中的Pb相分布更多、更彌散。
2）受熱加工溫度影響LZ-2#金相組織中同樣存在α再結(jié)晶相，但較LZ-1#樣中的再結(jié)晶晶粒更細?。?/span>
3）通過對比螺紋端、中部、螺紋遠離端的金相顯微組織可以發(fā)現(xiàn)LZ-2#樣三個位置的金相組織相差不大，說明整個樣品中α相、β相和Pb相的分布更均勻（螺紋端、螺紋遠離端說明見Fig.9）；
2.5 斷口分析
檢測標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 20307-2006 納米級長度的掃描電鏡測量方法通則
檢測儀器：掃描電鏡
斷口微觀圖片：
對ZL-1#樣品斷口進行分析可得：
1）斷口宏觀特征：斷面無明顯塑性變形，斷口呈臺階狀，裂紋沿垂直于拉應(yīng)力的方向擴展；
2）斷口微觀特征：斷口微觀形貌中無韌性斷裂特征，斷口形貌為層狀斷口，斷裂面存在連續(xù)和不連續(xù)的分叉二次裂紋，二次裂紋的斷口中存在脆性斷裂特征——解理臺階，上述斷口微觀形貌均符合應(yīng)力腐蝕開裂的特征；
3）斷口中存在大量的疏松孔洞，結(jié)合能譜分析可以得出沿著CuZn電子化合物周圍出現(xiàn)疏松孔洞，可能為脫鋅腐蝕導(dǎo)致；
4）結(jié)合能譜分析發(fā)現(xiàn)在螺紋加工面位置4和位置5的成分基本相同，可以得出該位置出現(xiàn)的連續(xù)黑色質(zhì)點為氣孔。
2.6 能譜分析
檢測標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 17359-2012 微束分析 能譜法定量分析
檢測儀器：掃描電鏡
1）通過位置1和位置2的成分分析可以發(fā)現(xiàn)位置1處的片狀白色氧化物為氧化鋅，位置2為銅鋅基體，說明斷口處鋅的分布不均勻；
2）位置3為CuZn電子化合物；
3）位置4和位置5處的成分基本相同，故黑色連續(xù)質(zhì)點為氣孔；
4）位置6為球閥內(nèi)腔中的黃色腐蝕物為三氧化二鐵（Fe2O3）,結(jié)合該銅合金化學(xué)成分分析的結(jié)果中鐵（Fe）的含量可以判斷，球閥內(nèi)腔中鐵銹可能為從管道中引入沉積于球閥內(nèi)壁。
3、失效分析結(jié)論
綜上分析可得，LZ-1#樣斷裂失效的原因為：熱加工溫度的不均勻使得脆性β相較大且呈帶狀分布，極大的降低了材料的塑性；球閥中存在較大的軸向殘余內(nèi)應(yīng)力，安裝后球閥受到拉應(yīng)力作用；試樣在潮濕的空氣或水中，銅合金沿加工損傷/缺口或材料組織缺陷（如氣孔等）處發(fā)生腐蝕，產(chǎn)生疏松孔洞等缺陷，導(dǎo)致試樣發(fā)生腐蝕應(yīng)力開裂