失效案例分析：环境因素的影响

案例1 黄铜制动器管开裂分析

（1）概况 某车辆用黄铜制动器管由四根材料牌号为H62（Y2）的黄铜管冷弯成形连接后装配使用，在行驶过程中发现多台车制动器管开裂漏气，导致制动失灵，裂纹率41%。

（2）检查结果与分析

1）宏观检查结果表明，每台车的制动器管开裂情况基本相同，宏观形貌如图6-132所示。开裂漏气处位于铜管冷弯部位内侧（如图6-132箭头所指位置），该处冷弯角R=35mm，裂纹形貌如图6-133所示，方向为横向，中间开口较宽，尾部尖细，裂纹附近无明显的塑性变形迹象。

图6-132 宏观形貌

图6-133 裂纹形貌

2）检测结果表明，黄铜制动器管的化学成分、常规力学性能均符合相关标准的规定。

3）金相检查。主裂纹已贯通铜管内外壁，为沿晶开裂，如图6-134所示，附近有许多二次沿晶小裂纹，裂纹两侧组织与基体组织相同，为带有孪晶的等轴晶α固溶体+少量β相，金相组织如图6-135所示。

图6-134 沿晶开裂

图6-135 金相组织

将上述金相试样用丙酮溶液清洗后，置于扫描电镜下观察，可见裂纹是晶间开裂，其周围有许多沿晶二次裂纹，同时宏观未开裂区域也显示出晶间分离，只是宏观难以观察到裂纹痕迹。

为验证铜管本身及弯曲过程是否存在导致腐蚀开裂的残余应力，在失效件未弯曲处、未失效件弯曲处、同批次铜管弯曲成90°、135°后分别取样，经硝酸汞水溶液侵蚀试验均未见开裂现象，说明铜管本身及弯曲过程无足够的导致腐蚀开裂的残余应力存在。

（3）讨论 金属应力腐蚀开裂必须同时具备应力、材料、介质等方面条件。

首先，产生应力腐蚀的重要条件是构件中存在应力。无论应力大小，只要能使晶面产生滑移，即可促使产生应力腐蚀裂纹。应力的来源有构件的工作载荷、构件在加工成形过程中存留的残余应力、因温度梯度所产生的热应力等。黄铜管为制动系统的制动器管，因其气动的工作原理，在其工作过程中会有水蒸气（最大压力8.1×10⁵Pa）和氧气不断通过且产生温度梯度（管进口150℃、管出口50℃及环境温度之间交替变换），因此铜管弯曲内侧承受的是拉应力和热应力。

其次，金属本身对应力腐蚀具有敏感性。金属表面上所有可能的缺陷及金属中或保护膜上的亚微观裂缝均可能是裂纹生核的地方，它们显著地提高了金属在应力作用下的腐蚀倾向。该黄铜管即属于此列。从全面腐蚀角度看来，应力腐蚀开裂是在耐腐蚀的情况下发生的，当材料表面的保护膜局部遭到破损，材料开裂过程才得以进行，因此材料的表面状况非常重要。经现场了解，与铜管同批零件及原材料均有因表面缺陷（划伤、折叠等）而判废的情况。

再次，对铜合金来说，只有在氨蒸气及溶液、汞盐溶液、SO₂大气、水蒸气等特定介质中才能发生应力腐蚀开裂。

最后，失效件微观裂纹形态为典型的沿晶裂纹，符合应力腐蚀裂纹形态特征。

综上分析认为，制动器管在使用过程中经水蒸气、氧等介质和拉应力的共同作用，导致铜管晶间腐蚀、在弯曲内侧开裂，为应力腐蚀裂纹，而铜管原材料表面质量不佳也是重要原因之一。

（4）结论 黄铜制动器管裂纹为应力腐蚀裂纹。

（5）改进措施 在目前无法改变零件工作载荷及工作环境的情况下，应严格控制零件的表面质量。

案例2 抽油杆断裂失效分析

（1）概况 某公司生产的抽油杆材料为20CrMoA，在冀东油田某油井下井作业约1个月发生断裂失效。

（2）检查结果与分析

1）抽油杆断杆宏观形貌如图6-136所示，杆部弯曲严重，断裂部位位于抽油杆杆部，距端头约550mm。断口宏观形貌如图6-137所示，断面较平齐，基本垂直于轴向，黑灰色，无明显塑性变形痕迹，断口三区明显，裂纹起始于弯曲内侧的杆部表面，源区纹路较细腻，扩展区较平坦，呈放射状，瞬断区纹路较粗，约占断口面积的1/2；裂纹起源处的杆部表面和相对应瞬断区的杆部表面（即杆部弯曲的内侧和外侧）均有明显机械磨损，如图6-138所示。

图6-136 抽油杆断杆宏观形貌

图6-137 断口宏观形貌

图6-138 裂纹源处杆部表面磨损

2）采用扫描电镜对断口进行了微观观察，断口疲劳源已被摩擦损坏，如图6-139所示，断口为准解理断裂形貌；近源区有许多腐蚀坑，如图6-140所示，分析腐蚀坑底部成分，与基体成分不同，含有氧、硫、氯、钠等元素；断杆表面断裂源一侧发现多条与轴向基本垂直的小裂纹，裂纹所在腐蚀坑底部同样有氧、硫、氯、钠等的腐蚀产物，腐蚀产物能谱成分分析如图6-141所示。

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图6-139 断裂源处形貌

图6-140 近源区断口形貌

图6-141 腐蚀产物能谱成分分析

3）检查结果表明，抽油杆的化学成分和基体硬度均符合相关标准的要求。

4）金相检查结果表明，断杆表面断裂源一侧附近有多条相互平行的由表面向心部扩展的小裂纹，断裂源附近裂纹形貌如图6-142所示，裂纹最深为0.02mm，裂纹穿晶沿晶交替扩展，以穿晶为主，断面一侧及小裂纹两侧无脱碳现象；基体显微组织为回火索氏体+块状未熔铁素体，如图6-143所示，这说明零件调质淬火温度不足或加热时间不够。

（3）讨论抽油杆断口为垂直于主应力方向的脆性断口，并有大量腐蚀坑及腐蚀产物，具有明显的腐蚀疲劳断裂特征。

图6-142 断裂源附近裂纹形貌

图6-143 基体显微组织

抽油杆杆部表面、断口均有程度不同的腐蚀坑及大量的腐蚀产物，说明该断杆的工作环境中井液有较强的腐蚀性。

该抽油杆基体显微组织调质不佳，存在大量块状未熔铁素体，降低了零件的耐蚀性。

分析认为，抽油杆在强腐蚀介质和交变应力的作用下产生了腐蚀疲劳失效，同时基体组织不佳也降低了零件的耐蚀性。

（4）结论 抽油杆断裂为腐蚀疲劳失效。

案例3 垫圈断裂失效分析

（1）概况 车辆变速器上所使用的垫圈材料牌号为65Mn，属于高强度零件，在变速器上为预紧状态，经过一段时间后对螺栓进行拆卸过程中，发现垫圈出现批量性断裂。

（2）检查结果与分析

1）垫圈变形宏观形貌如图6-144所示，垫圈已变形、断裂，断口较平齐，表面呈亮灰色，断面干净，无腐蚀产物，未见明显裂纹源及扩展区域，无明显宏观塑性变形痕迹，呈结晶颗粒状，显示脆性断裂特征形貌，如图6-145所示。

图6-144 垫圈变形宏观形貌

图6-145 垫圈断口形貌

2）采用扫描电镜对断口进行了微观观察，断口上多处位置呈现出不同程度的晶粒多面体外形的冰糖状花样，晶面相交处有撕裂韧带，局部沿晶分离，晶粒明显，且立体感强，晶界面上多显示光滑无特征形貌，如图6-146所示；断口特征主要为沿晶，存在二次裂纹，晶面上存在“鸡爪”纹，具有氢脆型断裂面的典型特征断口，采用扫描电镜能谱分析仪测定零件表面微区成分，分析结果得出垫圈表面经过镀锌处理。

3）检查结果表明，垫圈的化学成分和基体硬度均符合相关标准的要求。

4）金相检查结果表明，断面沿晶分布，断面无氧化脱碳现象，基体组织正常。

5）为对比试验，将未发生断裂的垫圈一次性打断后，采用扫描电镜观察微观形貌，断口由韧窝和韧带组成，为韧性断口形貌特征，如图6-147所示；再将另一件断裂件垫圈，在未断裂处位置一次性打断后，微观观察断口为沿晶断口，微观形貌与所分析的断裂件断口形貌一致。

图6-146 断口微观形貌

图6-147 未断裂件断口微观形貌

（3）讨论 从失效垫圈的宏观断口及微观断口分析认为，垫圈为氢脆型断裂，晶界上未发现其他杂质元素，而未失效件机械折断后，微观断口特征为韧窝为主。由扫描电镜能谱微区成分分析结果可知，该垫圈表面经过镀锌处理，在镀锌处理过程中会产生析氢反应，氢侵入金属基体，当吸收的氢未完全去除时，零件在受到外力作用下易产生氢致应力断裂。

（4）结论 垫圈断裂属于氢致应力断裂。