鉛黃銅

鉛黃銅是銅、鉛、鋅等有色金屬以一定配比而形成的合金，其因具有優良的切削性能、出色的耐磨性能和高強度，被廣泛應用于制造連接件、閥門、閥桿軸承等零部件。

鉛極少固溶于鉛黃銅，在其中以獨立相存在，以游離質點分布在基體組織中晶界和晶內，因而鉛既有潤滑作用又能使材料切屑成崩碎狀，可提高鉛黃銅的切削性和耐磨性。當鉛黃銅中鉛的質量分數不超過3％時，鉛黃銅的切削性隨著鉛的質量分數的增加而升高，但當鉛的質量分數超過3％時，隨著鉛含量的增加，鉛黃銅的切削性不再升高且鉛的硬度、抗拉強度和斷后伸長率會降低。

事故背景

某CuZn39Pb3鉛黃銅接頭在表面鍍鎳處理后進行密封測試時在螺紋處發生開裂。為查明該鉛黃銅接頭開裂失效的原因，筆者對其進行了檢驗和分析。

理化檢驗

1

宏觀觀察

宏觀觀察發現，該鉛黃銅接頭螺紋處存在垂直于接頭端口的裂紋，如圖1所示。

沿裂紋將接頭人為打開后觀察斷口的宏觀形貌，由圖2可見，斷口表面可分為2個區域：右側螺紋段金黃且發黑的原裂紋區(A區域)和左側白亮的人為斷口區(B區域)。從A區域可清晰看到裂紋由螺紋端口向螺母方向擴展。

2

掃描電鏡分析

在鉛黃銅接頭斷口表面取樣，使用FEI Sirion型場發射掃描電鏡(SEM)觀察試樣的形貌。

由圖3可見，斷口呈現出沿晶斷裂的特征，在高倍下未發現鎳層滲透的跡象，這說明鉛黃銅接頭的開裂發生在其表面鍍鎳處理后。

在鉛黃銅接頭斷口的橫截面取樣，取樣位置如圖4所示。

使用FEI Sirion型場發射掃描電鏡觀察試樣的形貌。由圖5可見，斷口沿晶界斷開且存在大量次生裂紋，次生裂紋沿晶界擴展，有少量游離晶粒形成，這說明材料晶界已被嚴重弱化，在應力的作用下晶界開裂并連接擴展形成大的裂紋。

3

金相檢驗

在鉛黃銅接頭斷口取樣，試樣經打磨、拋光，用體積分數為25％的硝酸水溶液浸蝕后，使用Olympus型金相顯微鏡觀察顯微組織。

由圖6可見，鉛黃銅接頭材料的顯微組織中α相和β相分布較均勻，但α相含量明顯多于β相的，β相僅占約30％。鉛相以顆粒狀存在，且絕大部分鉛顆粒存在于晶界，幾乎無晶內析出的鉛相。

4

能譜分析

使用掃描電鏡附帶的能譜儀(EDS)對鉛黃銅接頭斷口裂紋處進行面掃描微區成分分析，分析位置和分析結果分別如圖7和圖8所示。

可見鉛以顆粒相存在，裂紋擴展路徑上的鉛顆粒已脫落(圖7箭頭所示)。

使用掃描電鏡附帶的能譜儀對圖7中裂紋擴展路徑上的1，2號位置及基體上的3號位置進行點掃描微區成分分析，分析結果如表1所示。

由表1結合圖7可見，在裂紋擴展路徑上(1，2號位置處)雖然未觀察到鉛顆粒相，但其鉛含量明顯高于基體(3號位置處)的。推測這是由于原材料加工工藝存在問題導致部分鉛偏聚于晶界(少數位置存在錫)，雖鉛含量不足以聚集形成鉛顆粒相，但其嚴重弱化了晶界強度。

分析與討論

由金相檢驗結果可知，鉛黃銅接頭的顯微組織 為α＋β雙相，鉛以顆粒相形式分布于晶界。材料α＋β兩相組織分布較均勻，但α相的含量明顯多于β相的，β相的質量分數僅為30％。通常雙相鉛黃銅在熱加工過程中會充分利用β相良好的鉛溶解能力溶解大量的鉛，然后進行加工，冷卻后大量鉛相在晶內析出，既提升了材料的切削性能，又減小了鉛對材料力學性能的不良影響。然而該失效鉛黃銅接頭顯微組織中β相含量較少，不足以溶解質量分數高達3％的鉛，導致大量鉛顆粒聚集在晶界，甚至少量的鉛未能聚集成顆粒直接偏聚在晶界上，嚴重弱化了晶界強度，降低了材料的抗拉強度和塑性。

由掃描電鏡分析結果可知，斷口為沿晶斷裂，具有應力延時斷裂的特征。裂紋源于螺口管壁最薄的螺紋處，當機加工殘余應力以及裝配應力超過了部分晶界的耐受極限時，該位置應力集中嚴重，在晶界位置產生的微裂紋促進了裂紋的擴展。

由金相檢驗和能譜分析結果可知，裂紋擴展路徑上普遍存在鉛偏聚的問題。

選取6件與失效鉛黃銅接頭同批次的接頭，其 中3件未經熱處理，另外3件在300℃退火1h。根據ISO-6957：1988 Copper Alloys-Ammonia Test for Stress Corrosion Resistance對這6件鉛黃銅接頭進行應力腐蝕測試，測試時間為216h。結果顯示未經熱處理的3件鉛黃銅接頭中有2件開裂，經退火處理后的3件鉛黃銅接頭均未開裂，這表明退火處理能有效地改善材料的韌性及塑性。

結論及建議

CuZn39Pb3鉛黃銅接頭顯微組織中大量鉛聚 集于晶界，弱化了晶界強度，降低了材料的抗拉強度和塑性，當機加工殘余應力和裝配應力超過了部分晶界的耐受極限時，螺紋富鉛晶界處產生微裂紋，微裂紋連接擴展最終導致鉛黃銅接頭開裂。

建議對CuZn39Pb3鉛黃銅進行退火處理，可改善材料中鉛的分布，提高材料韌性及塑性，防止因鉛偏聚導致接頭力學性能降低。