典型零件失效分析案例

铜管焊接弯头开裂分析

[摘要] 利用光学金相显微镜、扫描电子显微镜、电子能谱仪等方法对开裂铜管焊接弯头进

行失效分析，发现该铜管焊接弯头久置于腐蚀性介质中，当在腐蚀坑处应力集中，便产生了开裂失效。同时，还发现该工件在弯制时易形成微裂纹。

关键词：铜管弯头，腐蚀，开裂失效.

ANAL YSE ON THE CRACKS OF THE BRASS-PIPE-ELBOW

(Chunliang Wang, Yingshi Gong, Jin Li, Hao Sun, Shanghai research institute of materials 200437)

[Abstract] By means of using optical-microscope, SEM and EDS etc on analyze the crack of

brass-pipe-cross, we found the reason of the failure .It had been eroded when it dip in corrosive-medium. And when the stress concentrate on the eroded holes ,there are cracks by fatigue .As well we found little cracks on the cross of the new section.

Key words: brass-pipe-elbow, eroding, cracks. 1. 引言

有一铜管焊接弯头配件，埋于地下约10mm 深处，使用约两年以后，发现该弯头R 角处出现开裂漏水现象。但是这样的铜管造成开裂的可能性有许多种，譬如：铜管弯头材料中有较多夹杂物使得在弯制时导致开裂；环境腐蚀性强使铜管弯头受腐蚀后引起腐蚀开裂；安装不当，水流通过时的微震动引起疲劳导致开裂等。为了查明本工件开裂的原因，我们采用光学金相、扫描电子显微镜（SEM ）、电子能谱仪（EDS ）等多种方法，针对具体材料及其工作环境作全面分析，从而防止以后故障的发生。

2. 检验及分析 2.1 宏观断口分析

经肉眼和低倍放大镜仔细观察已锯下的漏水弯头，发现弯头焊接管表面存在残余水泥痕迹，铜管表面颜色呈暗铜色，漏水部位处于弯头的R 角，在R 角位置存在一条长约24mm 的裂缝，在裂缝上有一个菱形孔，菱形孔底部有一个较新的铜亮点，在裂纹周围有一些不规则的凹坑。裂缝离弯头内接管的最短距离约6mm ，将弯头上裂缝打开成断口，断口颜色呈暗灰色，近外壁断口上有裂纹扩展台阶，裂纹扩展指向内壁，整个断口较为平整，无明显塑性变形，该断口属脆性断口；在弯头铜管内壁有铜绿色的腐蚀产物。

从裂纹的扩展形式及表面堆积的腐蚀产物，可初步认为该铜管焊接弯头开裂与环境腐蚀性介质作用有关。 2.2 扫描电子显微镜分析

将断口试样置于XL-30扫描电镜下观察，图1（5582）是断口低倍扫描电镜照片，从图中看出外壁断口有许多相互平行的台阶，裂纹萌生于腐蚀坑底部。由此可见该断口属多

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元开裂件。图2（5555）是裂源的扫描电镜照片，由图看出断口裂源及断口上的裂纹处于外壁凹坑处，断口上覆盖有较多腐蚀产物，断口微观形貌为疲劳条纹特征和解理及沿晶断口特征，说明该断口的断裂机制为疲劳+穿沿晶混合断裂（图3－5）(5571/5585/5569) 。

在内壁断口处可观察到较为连续的腐蚀坑及内壁较厚的腐蚀产物（图6）（5620），外壁裂纹扩展至近内壁的疲劳条纹特征。断口在最后断裂区呈韧窝特征。铜管焊接弯头外壁表面有明显的擦伤痕迹。

由以上断口分析可发现该断口开裂是由于外界腐蚀引起的多处裂纹源，在使用中因周期性应力作用，推进了裂源以腐蚀和应力共同作用向前延伸扩展，在断口上的形貌为穿晶+沿晶特征，最终由于管子承受的压力超过可承载能力导致一次性断裂，在瞬断区表现为韧窝特征，即为最后撕裂区。2.3 金相检验2.3.1 开裂铜管弯头金相检验取断口裂源剖面试样，经镶嵌是断口剖面组织照片，从图中看出断口剖面以穿晶为主，有少量二次裂纹。在试样外壁表面有许多相互平行的裂纹，裂纹萌生于腐蚀坑底部，裂纹以穿晶为主，但也有穿晶的混合型应力腐蚀特征，最深的一条裂纹长约近断口处腐蚀坑越大，在断口剖面上的腐蚀坑长度约为铜。同时，在外壁表面还观察到机械损伤处，这些损伤痕迹易成为三向应力集中点，引起应力集中开裂，图形变现象，说明边缘受外力所致。 从整个断口剖面看，外壁裂纹源及裂纹扩展区占整个断口截面的是在较长的服役时间里，腐蚀性介质和周期性小应力长期作用下引起的。 2.3.2 新铜管弯头金相检验 取新管弯头试样外壁表面存在微裂纹，较长一条微裂纹长约试样经化学试剂侵蚀后观察，试样基体组织为单相粒长大现象，说明管子弯制时 这些微裂纹的存在，相当于在管子外壁开了中。[2]力集中点，极易使裂纹向前扩展延伸。同时材料内外壁晶粒大小不均匀也是促使进一步开裂的原因，因此及时的去应力退火处理很重要。2.4 显微硬度测定 将开裂弯头管及新弯头管试样置于显微硬度计上分别测定开裂管裂缝中孔边缘的显微

硬度 以及心部显微硬度；新弯头管开裂弯头管裂缝处孔边缘8（fig21

R 角部位（与开裂管相同处）剖面试样，经镶嵌R 处，微裂纹两边受到拉应力作用，而尖锐的微裂纹又恰好成了应 [1] 磨抛及化学试剂侵蚀后在显微镜下观察，图

R 角部位形变量较大，微裂纹基本是穿晶的。R 角外壁裂纹处和心部的显微硬度，结果如下： 150 145 2

0.4mm ，在试样内壁表面有许多腐蚀坑越靠0.36mm ，试样基体组织为单相 磨抛后在显微镜下观察，

0.04mm ，裂纹指向心部（图α铜外壁表面微裂纹处组织较心部有晶V 型槽，从而使材料在此产生应力应变集

153HV0.05

7（fig17）+沿晶α2/3，由此可知该断口 9）（fig22）；

）是弯头焊管裂缝中损伤处的剖面组织，在孔壁边缘较心部有由于微裂纹位于

开裂弯头管心部 74 75 75HV0.05 新弯头管R 角外壁微裂纹处 121 121 120HV0.05 新弯头管R 角心部 107 106 104HV0.05

从硬度检验可知，该开裂铜管弯头R 处由于弯制而受到应变，所以弯头处的硬度比其它部位大，同时也超过了新管弯头相同部位近30HV0.05。 2.5 电子能谱分析

利用开裂铜管弯头做EDS 分析，其结果如下： （1） 外壁表面腐蚀产物主要元素

化学元素 O Wt %

21. 44

Al 0.54

Si 1.51

P 2.68

S 0.26

Cl 0.41

Ca 4.37

Fe 0.96

Cu 67.83

根据上述元素含量分析，可知该开裂铜管焊接弯头外壁表面受到氧、硫、氯等腐蚀介质的腐蚀。 （2） 断口表面腐蚀产物主要元素

化学元素 O Wt %

29.81

Al 5.59

Si 5.38

S 0.76

Cl 1.11

K 1.16

Ca 1.37

Fe 15.10

Cu 39.71

根据上述元素含量分析，可知该开裂铜管焊接弯头断口表面受到氧、硫、氯等腐蚀介质的腐蚀。 （3） 内壁表面腐蚀产物主要元素

化学元素 O Wt %

12.64

Al 1.05

Si 0.69

P 0.23

S 0.63

Cl 0.63

Ca 0.31

Fe 2.58

Cu 81.23

根据上述元素含量分析，可知该开裂铜管焊接弯头内壁表面受到氧、硫、氯等腐蚀介质的腐蚀。

从对弯头外壁表面腐蚀产物、断口表面腐蚀产物、内壁表面腐蚀产物的能谱分析得到的元素可以看出，内外壁中存在的氧、硫、氯等可构成盐类或碱类介质，

造成腐蚀现象，易引起点腐蚀坑，进而在周期性应力作用下，造成腐蚀疲劳开裂。

2.6 化学成分分析

取开裂弯头管，做Cu+Ag的化学成分分析，经实际检测其含量为99.95％, 可知该材料符合纯铜T1[3]。 3、结论

该铜管焊接弯头开裂是由于外壁表面存在腐蚀性极强的氯、硫、氧等元素，弯制微裂纹或者其它，使之在R 角部位的机械损伤处或者某种缺陷处产生较多点腐蚀；且管子在弯制时产生

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的内应力和管子在使用中产生的周期性应力作用，因此在点腐蚀坑底部萌生腐蚀疲劳及应力腐蚀裂纹，随着裂纹扩展，管壁厚度减薄，管壁的有效强度下降，加之管子内壁也存在氯、硫、氧等元素的点腐蚀坑。当管壁厚度减薄到有效强度小于管内流体压强时，便发生了管子开裂漏水现象。 4、建议

1. 纯铜T1退火态硬度一般为 HV0.05，[4]由于硬度低，材料塑性好，在安装过程中易引起机械损伤，而形成应力集中点；同时，如果弯头固定不稳，在服役中易引起周期性应力作用，导致管子疲劳早期失效。 2. 管子弯制成弯头要经过冷加工塑性变形，从而降低R 3. 铜材在环境中易受氯离子腐蚀，所以要充分调查并采取措施降低环境中的氯离子含量。

参考文献：

[1] 桂立丰主编[2] 束德林主编[3] 机械工程手册[4] 上海冶金高等专科学校热处理教研组编

北京：机械工业出版社&电机工程手册编委会 机械工程手册北京：[M]. 沈阳： 辽宁科学技术出版社 1987 .78-83

机械工业出版社 上海科学技术出版社4

1999.809 VOL3 2000.14-45 1985.416 使材料形变应力的增加，所以要及时地去应力退火，处引起开裂的倾向。 机械工程材料测试手册物理金相卷 金属力学性能 有色金属及合金

fig1.

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