铅黄铜

铅黄铜是铜、铅、锌等有色金属以一定配比而形成的合金，其因具有优良的切削性能、出色的耐磨性能和高强度，被广泛应用于制造连接件、阀门、阀杆轴承等零部件。

铅极少固溶于铅黄铜，在其中以独立相存在，以游离质点分布在基体组织中晶界和晶内，因而铅既有润滑作用又能使材料切屑成崩碎状，可提高铅黄铜的切削性和耐磨性。当铅黄铜中铅的质量分数不超过3％时，铅黄铜的切削性随着铅的质量分数的增加而升高，但当铅的质量分数超过3％时，随着铅含量的增加，铅黄铜的切削性不再升高且铅的硬度、抗拉强度和断后伸长率会降低。

事故背景

某CuZn39Pb3铅黄铜接头在表面镀镍处理后进行密封测试时在螺纹处发生开裂。为查明该铅黄铜接头开裂失效的原因，笔者对其进行了检验和分析。

理化检验

1、宏观观察

宏观观察发现，该铅黄铜接头螺纹处存在垂直于接头端口的裂纹，如图1所示。

图1 失效铅黄铜接头不同部位的宏观形貌

沿裂纹将接头人为打开后观察断口的宏观形貌，由图2可见，断口表面可分为2个区域：右侧螺纹段金黄且发黑的原裂纹区(A区域)和左侧白亮的人为断口区(B区域)。从A区域可清晰看到裂纹由螺纹端口向螺母方向扩展。

图2 铅黄铜接头断口的宏观形貌

2、扫描电镜分析

在铅黄铜接头断口表面取样，使用FEI Sirion型场发射扫描电镜(SEM)观察试样的形貌。

图3 铅黄铜接头断口表面的SEM形貌

由图3可见，断口呈现出沿晶断裂的特征，在高倍下未发现镍层渗透的迹象，这说明铅黄铜接头的开裂发生在其表面镀镍处理后。

图4 铅黄铜接头断口的横截面取样位置示意图

在铅黄铜接头断口的横截面取样，取样位置如图4所示。

图5 铅黄铜接头断口横截面的SEM形貌

使用FEI Sirion型场发射扫描电镜观察试样的形貌。由图5可见，断口沿晶界断开且存在大量次生裂纹，次生裂纹沿晶界扩展，有少量游离晶粒形成，这说明材料晶界已被严重弱化，在应力的作用下晶界开裂并连接扩展形成大的裂纹。

3、金相检验

在铅黄铜接头断口取样，试样经打磨、抛光，用体积分数为25％的硝酸水溶液浸蚀后，使用Olympus型金相显微镜观察显微组织。

图6 铅黄铜接头断口的显微组织形貌

由图6可见，铅黄铜接头材料的显微组织中α相和β相分布较均匀，但α相含量明显多于β相的，β相仅占约30％。铅相以颗粒状存在，且绝大部分铅颗粒存在于晶界，几乎无晶内析出的铅相。

4、能谱分析

使用扫描电镜附带的能谱仪(EDS)对铅黄铜接头断口裂纹处进行面扫描微区成分分析，分析位置和分析结果分别如图7和图8所示。

图7 面扫描分析位置

图8 面扫描分析结果

可见铅以颗粒相存在，裂纹扩展路径上的铅颗粒已脱落(图7箭头所示)。

使用扫描电镜附带的能谱仪对图7中裂纹扩展路径上的1，2号位置及基体上的3号位置进行点扫描微区成分分析，分析结果如表1所示。

表1 铅黄铜接头断口裂纹处不同位置(如图7所示)的EDS分析结果(质量分数)％

由表1结合图7可见，在裂纹扩展路径上(1，2号位置处)虽然未观察到铅颗粒相，但其铅含量明显高于基体(3号位置处)的。推测这是由于原材料加工工艺存在问题导致部分铅偏聚于晶界(少数位置存在锡)，虽铅含量不足以聚集形成铅颗粒相，但其严重弱化了晶界强度。

分析与讨论

由金相检验结果可知，铅黄铜接头的显微组织为α＋β双相，铅以颗粒相形式分布于晶界。材料α＋β两相组织分布较均匀，但α相的含量明显多于β相的，β相的质量分数仅为30％。通常双相铅黄铜在热加工过程中会充分利用β相良好的铅溶解能力溶解大量的铅，然后进行加工，冷却后大量铅相在晶内析出，既提升了材料的切削性能，又减小了铅对材料力学性能的不良影响。然而该失效铅黄铜接头显微组织中β相含量较少，不足以溶解质量分数高达3％的铅，导致大量铅颗粒聚集在晶界，甚至少量的铅未能聚集成颗粒直接偏聚在晶界上，严重弱化了晶界强度，降低了材料的抗拉强度和塑性。

由扫描电镜分析结果可知，断口为沿晶断裂，具有应力延时断裂的特征。裂纹源于螺口管壁最薄的螺纹处，当机加工残余应力以及装配应力超过了部分晶界的耐受极限时，该位置应力集中严重，在晶界位置产生的微裂纹促进了裂纹的扩展。

由金相检验和能谱分析结果可知，裂纹扩展路径上普遍存在铅偏聚的问题。

选取6件与失效铅黄铜接头同批次的接头，其中3件未经热处理，另外3件在300℃退火1h。根据ISO-6957：1988 Copper Alloys-Ammonia Test for Stress Corrosion Resistance对这6件铅黄铜接头进行应力腐蚀测试，测试时间为216h。结果显示未经热处理的3件铅黄铜接头中有2件开裂，经退火处理后的3件铅黄铜接头均未开裂，这表明退火处理能有效地改善材料的韧性及塑性。

结论及建议

CuZn39Pb3铅黄铜接头显微组织中大量铅聚集于晶界，弱化了晶界强度，降低了材料的抗拉强度和塑性，当机加工残余应力和装配应力超过了部分晶界的耐受极限时，螺纹富铅晶界处产生微裂纹，微裂纹连接扩展最终导致铅黄铜接头开裂。

建议对CuZn39Pb3铅黄铜进行退火处理，可改善材料中铅的分布，提高材料韧性及塑性，防止因铅偏聚导致接头力学性能降低。

作者：陈先艳，工程师，史陶比尔（杭州）精密机械电子有限公司