Le laiton présente les avantages d'une résistance élevée, d'une résistance à la corrosion, d'une résistance aux basses températures, d'une bonne aptitude au traitement et d'une bonne conductivité, et a été largement utilisé dans des industries telles que l'énergie électrique, les communications, les transports, l'industrie chimique et la fabrication de conteneurs. Le cuivre monophasé (伪-phase) ne convient pas au traitement à chaud. Par conséquent, les alliages de laiton biphasés (伪+尾) avec de meilleures propriétés de traitement thermique sont souvent utilisés pour produire des produits forgés à chaud, tels que des vannes, des robinets et des raccords de tuyauterie. Cependant, dans le processus de forgeage à chaud, les alliages de laiton doivent résister à de grandes déformations à des températures élevées. De plus, la structure des produits forgés à chaud est complexe, ce qui peut facilement produire des défauts tels que barrières froides, pelage, pliage et gros grains.
Après forgeage à chaud, une certaine marque de vanne à boisseau sphérique en laiton biphasé CW617N s'est fissurée en raison d'une fragilisation thermique ou a fui lors du test d'étanchéité. En réponse à ce phénomène, l'auteur a inspecté et analysé la morphologie des fissures, le chemin de propagation et la cause de la formation, et a étudié le mécanisme de fragilité à chaud des alliages de laiton biphasés afin de prendre des mesures pour éviter que des défaillances similaires ne se reproduisent.
Analyse de la composition chimique
Le spectromètre à lecture directe SPECTRO LAB LAVM10 a été utilisé pour analyser la composition chimique du corps de valve fissuré. Les résultats sont présentés dans le tableau 1. On peut voir que la composition chimique de l'alliage de laiton utilisé dans la vanne de forgeage à chaud répond aux exigences de la norme EN 12164:2011 Cuivre et alliages de cuivre-tige pour usinage libre.
Analyse des fissures
Après détection de fuite, il a été constaté que la fissure était localisée dans le corps de vanne et élargie dans le sens axial, comme le montre la figure 1a). Interceptez la partie fissurée du corps de vanne et observez la morphologie de la surface de la fissure. On peut voir sur la Fig. 1b) et la Fig. 1c) qu'il n'y a pas de déformation plastique évidente, de rayures et de bosses près de la fissure ; la surface de la fissure est plate et se dilate en zigzag. Par conséquent, il est jugé de manière préliminaire que le corps de vanne est cassant et fissuré.
Contrôle métallographique
Prélevez un échantillon avec des fissures sur le corps de la vanne, après un broyage grossier, un broyage fin et un polissage, utilisez une solution mixte de 16g de chlorure errique + 70 ml d'acide chlorhydrique + 220 ml d'éthanol absolu pour graver pendant 4 à 5 secondes. Un microscope métallurgique Zeiss imager A1m a été utilisé pour observer la morphologie et la distribution des fissures, comme le montre la figure 2.
On peut voir que la zone sans fissure et la microstructure à proximité de la fissure sont composées d'une phase 伪 (blanche) et d'une phase 尾 (noire) ; la taille des grains est fondamentalement la même, et il n'y a pas de différence significative, tous sont des cristaux équiaxes ; aucune microstructure anormale n'est visible dans la zone de la fissure . On peut voir sur la figure 2b) et la figure 2c) que la fissure principale et la fissure secondaire se propagent le long du joint de grain, c'est-à-dire que la forme de fracture est une fissuration intergranulaire.
Microscope électronique à balayage et analyse du spectre énergétique
La fissure est ouverte le long de la direction de propagation de la fissure et la micromorphologie de la fracture est observée au microscope électronique à balayage (SEM). On peut voir sur la figure 3a) et la figure 3b) que la surface de rupture est relativement plate sans déformation plastique ; la surface de la surface de fracture est en blocs ou en sucre cristallisé, avec une certaine quantité de fissures secondaires, et aucune morphologie de fracture plastique telle que des fossettes. Il montre que le mode de défaillance du robinet à tournant sphérique en laiton CW617N est une fissuration cassante intergranulaire typique.
Afin de déterminer la cause de la fissure le long du cristal, la morphologie de surface de la fracture a été encore agrandie et observée, et certaines substances réparties le long de la limite des grains ont été observées. Ils étaient blancs et brillants en mode de rétrodiffusion SEM, comme le montre la figure 3c). L'analyse du spectre d'énergie (EDS) du matériau de couleur blanche et brillante montre que sa composition chimique est principalement constituée d'éléments en plomb, ce qui indique que le phénomène de ségrégation du plomb s'est produit à la limite des grains.
En utilisant un microscope électronique à balayage pour observer l'échantillon métallographique, comme le montre la figure 4, il est clairement visible qu'il y a une grande quantité de matière blanche brillante à la limite des grains. L'analyse EDS de celui-ci montre qu'il se produit à la limite des grains de la zone de fissure principale et de la zone de fissure secondaire. Ségrégation du plomb, ce qui est cohérent avec les résultats de l'analyse des fractures.
Analyse et discussion
Analyse des causes de fissuration
L'analyse de fracture montre que la forme de fissuration du robinet à tournant sphérique en laiton CW617N est une fracture fragile le long du cristal. D'une manière générale, la force de liaison du joint de grain est supérieure à la force de liaison à l'intérieur du grain. Ce n'est que lorsque le joint de grain est affaibli que la fissure se propage le long du joint de grain et provoque une rupture fragile. Les principales raisons de l'affaiblissement des joints de grains du matériau comprennent : des inclusions sur les joints de grains ou une phase continue de précipitation fragile ; les éléments d'impureté phosphore, soufre, arsenic, antimoine, étain, bismuth, plomb, etc. se séparent aux joints de grains; facteurs de milieu environnementaux Provoque la corrosion, le fluage à haute température, etc.
Pendant le processus de service des produits en laiton, en raison de l'effet de la corrosion sous contrainte, des fissures cassantes le long du cristal se produisent souvent. Cependant, le robinet à tournant sphérique en laiton CW617N défectueux dans cette étude n'était pas en service, et il n'y avait pas de phases précipitées intercristallines ou d'inclusions dans la microstructure près des fissures, ce qui peut éliminer l'influence des facteurs de corrosion environnementaux et des phases précipitées intercristallines ou inclusions. Les résultats de l'analyse EDS des substances résiduelles dans la surface de fracture et la microstructure montrent qu'il existe une ségrégation du plomb au joint de grain, ce qui est la principale raison de l'affaiblissement du joint de grain du robinet à boisseau sphérique en laiton CW617N. Couplé à l'effet de la contrainte de traction générée lors du processus de forgeage à chaud ou de la contrainte résiduelle lors du processus de refroidissement,
Analyse du mécanisme de fragilité thermique
La fissuration du robinet à tournant sphérique en laiton CW617N le long du cristal est principalement due à la fragilité à chaud lors du forgeage à chaud. Le phénomène de fragilisation à chaud du laiton signifie que pendant le processus de travail à chaud, l'eutectique à bas point de fusion fond en premier, ce qui conduit à l'affaiblissement ou à la fragilisation de la limite des grains de laiton, et une rupture fragile se produit sous l'action d'une contrainte externe. La fraction massique de plomb dans la matière première en laiton utilisée dans la vanne est d'environ 2 %, et la solubilité du plomb dans le laiton est inférieure à 0,3 %, et la majeure partie existe dans le laiton sous la forme de particules de plomb libres. Le plomb et le cuivre forment facilement une structure eutectique à bas point de fusion, et la température eutectique n'est que de 326°C. Le processus de forgeage à chaud est un moulage par extrusion à haute température. Sous l'action des contraintes de traction lors du processus d'extrusion et de refroidissement, le matériau est sujet à une rupture fragile le long du cristal, c'est-à-dire à une fragilité à chaud. Le phénomène de fragilité à chaud dans le processus de forgeage à chaud du laiton est lié à la ségrégation des éléments chimiques de la matière première, au temps de séjour déraisonnable à haute température, à la vitesse d'extrusion et au taux de refroidissement pendant le processus de forgeage à chaud.
Conclusion et suggestion
Le mode de défaillance du robinet à boisseau sphérique en laiton CW617N est une rupture par fissuration intergranulaire causée par une fragilisation thermique. Pendant le processus de forgeage à chaud, le processus de forgeage à chaud déraisonnable amène l'élément de plomb à se rassembler à la limite des grains pour former une phase eutectique à bas point de fusion riche en plomb, et sous l'action de la contrainte de traction, les microfissures intergranulaires se forment. Les fissures proviennent de la concentration de contraintes sur la surface du corps de vanne et s'étendent le long de la direction axiale, entraînant éventuellement une rupture par fracture.
Afin d'éviter la fragilité à chaud du laiton forgé à chaud, il convient de contrôler strictement la teneur en éléments d'impuretés dans les matières premières afin de réduire la ségrégation des éléments ; formuler un processus de forgeage à chaud raisonnable pour empêcher le matériau de rester dans la plage de température fragile de 300 à 400°C pendant une longue période ; réduire la vitesse d'extrusion et la vitesse de refroidissement, afin de ne pas produire de contraintes internes plus élevées.
Extrait de : "Inspection Physique et Chimique - Volume Physique" Vol.55 2019.8
