黄铜具有强度高、耐腐蚀、耐低温以及良好的加工性和导电性等优点，在电力、通讯、交通、化工和容器制造等行业得到了广泛应用。单相铜(α相)不适于热加工，因此，常采用热加工性能较好的双相黄铜合金(α+β)来生产热锻产品，如阀门、水嘴和管路连接件等。然而，在热锻过程中，黄铜合金需要在高温下承受较大的变形，加上热锻产品的结构复杂，极易产生冷隔、起皮、折叠、晶粒粗大等缺陷。

某牌号双相黄铜阀门在热锻后，因发生热脆出现开裂现象或在密封性试验中出现泄漏。针对这一现象，笔者对其裂纹形貌特征、扩展路径和形成原因进行了检验和分析，并研究了双相黄铜合金的热脆机理，以便采取措施避免类似失效的再次发生。

理化检验

化学成分分析

使用SPECTRO LAB LAVM10直读光谱仪对开裂阀体进行化学成分分析，结果如表1所示。可见热锻阀门所用的黄铜合金化学成分符合EN 12164：2011 Copper and Copper Alloys-Rod for Free Machining Purposes标准的要求。

表1 黄铜阀门的化学成分(质量分数)%

裂纹分析

经泄漏检测发现，裂纹位于阀体部位，沿轴向扩展，如图1a)所示。截取阀体带裂纹部位，观察裂纹表面形貌。由图1b)和图1c)可见，裂纹附近无明显塑性变形、划伤和磕碰痕迹；裂纹表面平整，呈曲折状扩展。由此初步判断该阀体为脆性开裂。

图1 裂纹位置和裂纹形貌

金相检验

在阀体上截取带裂纹的试样，经粗磨、精磨、抛光后，使用16g三氯化铁+70mL盐酸+220mL无水乙醇的混合溶液浸蚀4~5s。采用Zeiss imager A1m型金相显微镜观察裂纹形态和分布情况，如图2所示。

图2 显微组织及裂纹形貌

可见无裂纹区域和裂纹附近的显微组织均由α相(白色)和β相(黑色)组成；晶粒尺寸基本一致，无明显差异，均为等轴晶；裂纹区未见异常显微组织。由图2b)和图2c)可见，主裂纹和二次裂纹均沿着晶界扩展，即断裂形式为沿晶开裂。

扫描电镜及能谱分析

图3 断口的微观形貌及能谱图

沿裂纹扩展方向将裂纹打开，采用扫描电镜(SEM)观察断口微观形貌。由图3a)和图3b)可见，断口较为平整，无塑性变形；断口表面呈块状或冰糖状，存在一定量的二次裂纹，未见韧窝等塑性断裂形貌。说明该黄铜阀门的失效形式为典型的沿晶脆性开裂。

为查明裂纹沿晶开裂的原因，将断口表面形貌进一步放大观察，可见一些沿晶界分布的物质，它们在SEM 背散射模式下呈白亮色，如图3c)所示。对白亮色物质进行能谱(EDS)分析，可见其化学成分主要为铅元素，说明在晶界上发生了铅偏聚现象。

图4 金相试样的SEM形貌及EDS谱图

使用扫描电镜观察金相试样，如图4所示，清晰可见在晶界处存在大量亮白色物质，对其进行EDS分析，结果表明在主裂纹区和二次裂纹区的晶界处均发生了铅的偏聚，这与断口分析结果相一致。

分析与讨论

开裂原因分析

断口分析表明，黄铜阀门的开裂形式为沿晶脆性断裂。一般来说，晶界的键合力高于晶内的键合力，只有在晶界被弱化时，裂纹才会沿晶界扩展并造成脆性断裂。材料晶界弱化的原因主要包括：晶界上存在夹杂物或析出了连续的脆性沉淀相；杂质元素磷、硫、砷、锑、锡、铋、铅等在晶界处偏聚；环境介质因素引起了腐蚀、高温蠕变等。

黄铜制品在服役过程中，由于应力腐蚀作用，常常会出现沿晶脆性开裂。然而，该研究中的失效黄铜阀门并未服役，而且裂纹附近的显微组织中未见沿晶的析出相或夹杂物，可以排除环境腐蚀因素和沿晶析出相或夹杂物的影响。对断口表面和显微组织中残留物质的EDS分析结果表明，铅在晶界处存在偏聚现象，这是导致该黄铜阀门晶界弱化的主要原因。加上热锻过程中产生的拉应力或冷却过程中的残余应力的作用，极易诱发沿晶裂纹的萌生和扩展，最终导致断裂失效。

热脆机理分析

黄铜阀门沿晶开裂主要是因为热锻过程中发生了热脆现象。黄铜的热脆现象是指在热加工过程中，由于低熔点共晶先熔化，导致黄铜晶界弱化或脆化，在外加应力的作用下发生脆性断裂。该阀门采用的黄铜原材料中铅的质量分数约为2％，而铅在黄铜中的溶解度小于0.3％，大部分以游离的铅颗粒形式存在于黄铜中。铅与铜容易形成低熔点共晶组织，其共晶温度仅为326℃。热锻过程为高温挤压成型，在挤压和冷却过程中拉应力的作用下，材料极易出现沿晶脆性断裂，即热脆现象。黄铜热锻过程中的热脆现象与原材料的化学元素偏析、热锻过程中不合理的高温停留时间、挤压速度及冷却速度有关。

结论及建议

该黄铜阀门失效模式为热脆现象导致的沿晶开裂失效。热锻过程中，不合理的热锻工艺导致铅元素向晶界处聚集，形成富铅的低熔点共晶相，在拉应力作用下，形成沿晶微裂纹。裂纹从阀体表面应力集中处起源，沿轴向扩展，最终导致断裂失效。

为预防热锻黄铜的热脆现象，应注意严格控制原材料的杂质元素含量以减轻元素偏析；制定合理的热锻工艺，防止材料在300~400℃脆性温度区间长时间停留；降低挤压速度和冷却速度，以免产生较高的内应力。