電子膨脹閥銅螺母失效分析

2014-12-29 瀏覽量：1452

1. 案例背景

該產品為空調調節冷卻水的電子膨脹閥上的銅螺母，生產流程為：拉制擠壓棒料→車削加工成螺母→電鍍鎳+PTFE→250℃烘箱中放置3小時，失效周期均集中在運行9~11個月，失效周期較固定，委托方要求分析電子膨脹閥螺母的失效機理，并給出改進建議。

2. 分析方法簡述

外觀檢查中可以看到NG樣品沿外表面凹槽臺階斷裂成兩部分，未發現明顯的變形，斷口絕大部分能無縫對接，只有小區域凸起的一側存在碎裂脫落，不能無縫對接。

將NG樣品斷口用超聲波清洗干凈，然后在SEM下放大觀察斷口形貌，通過觀察斷口，發現斷裂起源在外表面凹槽底部的直角處，然后繞凹槽底部直角圓周延伸至完全斷裂，整個斷面較平整，只有最后斷裂區域發現有小區域凹凸部位；凸起部分高度與凹槽寬度基本一致，最高點平面為開裂一邊的對面內直角處，且輕微向外側彎曲；在體視顯微鏡下可觀察到小刻面形貌。通過SEM觀察斷口，發現大部分區域存在扇形形貌和解理臺階，部分區域發現不規則多邊形顆粒，顆粒EDS分析結果顯示Cu含量高達80%以上，為斷裂后與外界介質反應產生的銅鹽；內壁發現較粗且分布均勻的機加工紋路，并發現較多裂紋；凸起位置的對面一側外管壁發現裂紋。

樣品先去鍍層，再進行化學成分分析，結果表明樣品材質為錳黃銅，材料不存在異常。

NG樣品和OK樣品分別鑲樣，進行金相分析，OK樣品為基體灰黑色β相+白色塊狀α相組織；NG樣品為基體灰黑色β相+白色羽毛針狀α相組織，殘余內應力較大的特征。

NG、OK樣品硬度均較低。

3. 分析與討論

1.從斷口分析可知，斷裂位置在螺母外表面凹槽底部直角處，觀察到外表面存在裂紋的一側為起始區域，凸起部位為最后斷裂區域；斷口明顯觀察到扇形形貌與解理臺階，未發現明顯塑性變形、韌窩等韌性特征，為脆性解理斷裂斷口。

2.由金相分析可知，NG樣品與OK樣品的金相組織均為基體黑灰色β相+白色α相。NG樣品與OK樣品比對，NG樣品α相較細小且呈羽毛針狀，為加熱后冷卻速度過快導致α相不夠均勻化，是殘余應力較大的特征。

3.樣品維氏硬度結果可知，NG樣品與OK樣品硬度均較低，NG樣品硬度比OK樣品硬度略低，不存在加工硬化現象；從化學成分可知樣品為錳黃銅，材質未發現異常。

4. 結論

樣品失效的主要原因為凹槽底部存在易應力集中的直角邊界，在外力作用下應力集中而開裂，由于內部殘余應力大，導致裂紋迅速擴展而完全斷裂，為脆性解理斷裂模式。

建議：改善熱處理工藝，減緩冷卻速度，使組織均勻化。

5. 參考標準

GB/T 1814-1979 鋼材斷口檢驗法

JY/T 010-1996 分析型掃描電子顯微鏡方法通則

GB/T 17359-2012 微束分析能譜法定量分析

GB/T 13298-1991 金屬顯微組織檢驗方法

GB/T 4340.1-2009 金屬材料維氏硬度試驗第1部分：試驗方法

GB/T 5121.27-2008 銅及銅合金化學分析方法第27部分電感耦合等離子體原子發射光譜法

GB/T 5121.1-2008 銅及銅合金化學分析方法第1部分：銅含量的測定

作者簡介：

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