Cu合金应力分析

1、铅锌白铜棒材残余应力沿截面分布的X光测定方法王宁 王超群北京有色金属研究总院 北京100088摘要采用X光应力测试方法，配合金相显微镜观察和电子显微探针X-线分析，研究了铅锌白铜棒在冷加工过程中纵向开裂的原因。试验结果表明：合金基体相与较粗大的游离态铅共存时，只有在拉应力作用下才发生纵向开裂。在同样的组织条件下，改变冷加工方式，即用镟铸代替拉伸，使棒材加工后所承受的残余应力为压应力，即可避免纵向开裂的发生。反之，必须使材料组织中的铅质点足够细小，才能承受拉应力作用而不致开裂。文中侧重介绍棒材沿截面分布的残余应力的X光测定方法。引言锌白铜在国际上通称为德银，该合金兼备有良好的物理、力学性能及抗腐

2、蚀性能，因而在电子工业，精密仪表和医疗器械等方法都有着极其广泛的用途。为了提高材料的切削加工性，合金中往往添加1-2%的铅。在单相锌白铜中，铅呈游离态存在，这就使合金的加工性能变坏。国际上沿用冷加工开坯，冷拉伸成材。由于受材料冷加工性能的限制。中间需要穿插极为繁琐的退火周期。退火时又往往伴随着纵向开裂的发生。不仅工艺周期长，而且成品率极低。为寻求多快好省的工艺制度，我们采用热挤压坯，以挤压棒作为冷加工毛坯；或以拉铸成材，再用拉铸棒作为冷加工毛坯，在探索新工艺过程中发现了以下现象：1.将成为为Cu-12Ni-25Zn-1.8Pb的20mm挤压棒材酸洗或剥去氧化皮后，经多道次拉伸，从19.614.

3、5计算其截面收缩率为45%两小时后显微镜下（100×）即可观察到纵向裂纹的产生及扩展。从横截面看，裂纹从外圆向中心发展，从外圆看裂纹笔直地沿轴向延伸。24小时后，肉眼可以观察到裂纹，再延续室温放置一周后，整个断裂面几乎对半裂开。2.经上述冷拉伸的棒材随即在250-350下进行消除应力退火，再在650再结晶退火，纵向开裂仍发生，甚至在热应力作用下更为严重。3.将19.4mm的挤压棒镟锻至15.3mm，总加工率为38%，室温搁置或退火均无开裂现象发生。4.将20mm的水平拉铸棒材多道次拉伸至15mm后，截面收缩率为44%，室温搁置或中间退火均未发现裂纹的发生。5.用20mm的拉铸棒，大加

4、工率（截面收缩率为47.5%）发现棒材中心开裂。从以上现象，可以看出研究拉伸和镟锻两种冷加工方式的残余应力并探讨棒材开裂的原因，对寻找更合理加工工艺提供理论依据是很有意义的。一、 试样的制备中频感应炉空气熔炼，熔制Cu-12Ni-25Zn-1.8Pb合金。1.将100mm的铸锭，在800下热挤压成20mm的棒材，车去表面氧化皮获得18.8mm的光洁毛坯，然后进行拉伸或镟锻两种冷加工方式，工序流程如下：18.81716.115.314.518.818.317.21615每道次拉伸或镟锻以后切取60-70mm长的试样，经汽油及酒精清洗后，表面光洁，直接用X光测定表面轴向及切向应力。2. 15.5m

5、m的再结晶退火棒材12.6mm，然后用慢速小切屑量车成不同直径的细小棒材。试样长度平均为80-60mm，然后用磷酸水溶液进行电抛光H3PO4：H2O=7：3（体积比）电压2V，电流密度0.1A/cm2,抛去0.15-0.2mm，以消除机加工应力。用X光测定不同直径细棒表面轴向切向应力，最后获得应力沿截面分布曲线。3.将经过表面清洗的挤压棒19.6mm多道拉伸至17mm，截面收缩率24.5%，在室温放置一天后，发现棒材靠末端最先出现裂纹，切取端部的横截面制备金相磨片，进行金相和电子探针分析1、2。二、X射线应力测试原理及方法采用剥层法由X光测定其剥层表面轴向、切向残余应力，再推算出残余应力沿截面

6、的分布。中空圆筒剥层修正公式3、4：若圆筒的外半径为b，内半径为a（图1），在半径为r处的轴向、切向、径向残余应力分别为z、t、r。当剥到r层时，半径r表面X光测定的轴向、切向残余应力为zx·tx。剥去后的残余应力必将作用在剩下的部分，这个残余应力叫做附加应力，用ztr表示。 (1)由于 （2）将（2）对r微分，整理后得 （3）从r到b积分，而 （4）从半径b剥到r时，r（r）将作为附加应力作用于余留部分。根据圆筒的Lame公式 （5）X光测量的切应力tx应为 （6）另外，t和r满足平衡方程： （7）从（5）、（6）、（7）可以推出 （8）用除以两边，从r到b积分，由于r（b）=0

7、（9）（9）代入（7） （10）对于棒材a=0（4）（9）（10）即为 （11） （12） （13）我们按照（11）-（13）计算应力沿截面分布，积分项采用zx取中值提出积分号，然后对r求积分。即 （14）实验条件如下：Cu靶，40KV，30mA，扫描速度2度/分，纸速20mm/分，Sc计算记录强度，发射光阑1mm长，不加接收光阑，X射线波动引起的误差，经计算为2-3Kg/mm2 。 三、 试验结果及讨论X光应力测定所得残余应力与冷加工方式及形变量的关系，如图2、3所示。镟锻棒材截面应力分布曲线如图4所示。结果表明，经20%以上拉伸的棒材切向、轴向为拉应力，而镟锻加工，棒材切向、轴向为压应力，

8、这个结果与材料拉伸和镟锻过程塑性变形状态有区别，而造成不同方向的残余应力相一致。在拉伸过程中，棒材截面塑性变形不均匀，尤其在截面收缩率较大的情况下，棒材外圆和拉伸模壁相接触的部分首先被屈服，相对于中心产生较大的塑性变形。这样在拉拔结束后，弹性恢复时，外圆要产生切向和轴向的拉应力，内心则受到压应力。同时，在拉伸过程中合金的塑性流变沿轴向近乎笔直地延伸，挤压棒组织中原有三角晶界处颗粒铅质点，沿轴向伸长，挤压流线得不到破坏。这就造成棒材径向强度不如轴向。拉伸时，由于摩擦生热致使表面游离态铅几乎处在熔断状态，外加的力一旦释放残余拉应力随即产生，切向拉应力首先使表面轴向拉长的铅开裂，裂纹随挤压及形变流线

9、得到扩展。这样，低温退火已经来不及阻止裂纹的发展。在镟转铸造时，棒材周围由多锤头沿其径向对准棒材轴线进行对准棒材轴线进行对称性有节奏的锻打。每次变形量较小，金属变形时处在三向压应力状态，金属流变是螺旋式延伸，这样铅分布不是沿轴向简单地伸长，挤压流线也得到了破坏，棒材截面变形，中心部分略大于外圆，镟锻结束产生弹性恢复时，棒材表面则表现出轴向及切向压应力，这种应力状态不致产生裂纹。用拉铸作为冷拉伸毛坯时，冷拉后产生轴向及切向拉应力，但由于该毛坯存在的两项优点：一是水冷结晶器的快速冷却凝固下，铅质点细小弥散，没有沿三角晶界的粗大铅质点，不太容易成为裂纹的起源。二是不存在如同挤压流线的低强度缺陷，因而

10、不具备造成裂纹迅速扩展的条件。但是如镟锻冷加工量过大（如47.5%）且铸锭组织存在粗大的柱状晶时，则会发生中心开裂，这与镟锻棒应力截面分布其内部存在拉应力的结果相符（图4）。四、 结论1. 棒材表面应力的X光测定结果与材料产生裂纹的状态相一致，平行光束、固定法测定棒材残余应力的方法基本可靠。2. 挤压棒材由于存在粗大铅质点及纵向挤压流线。在拉伸条件下，由于残余拉应力的作用，极易造成纵向裂纹，此时只有采取镟锻工艺，改变残余应力为压应力，才能避免裂纹的产生，反之，只有改变冷加工毛坯组织中的铅质点，使之足够细小，才能承受拉应力作用而不致开裂。3. 根据残余应力的作用，改进毛坯及冷加工方式，从而允许加大冷加工度，使原有的15-20边加工退火周期缩短为2边。4. 有关开裂机理的研究，有待于今后继续作认真细致的定量分析工作。 参考文献（1） Microstructural Science 1976 Proceeding of the 9th Annual Techanical meeting of the Internation