cu合金应力分析(王超群)

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1、铅锌白铜棒材残余应力沿截面分布的X光测定方法王超群摘要采用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α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

2、好的物理、力学性能及抗腐蚀性能，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

3、-25Zn-1.8Pb的Ф20mm挤压棒材酸洗或剥去氧化皮后，经多道次拉伸，从Ф19.6→Ф14.5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Ф19.4mm的挤压棒镟锻至Ф15.3mm，总加工率为38%，室温搁置

4、或退火均无开裂现象发生。4.将Ф20mm的水平拉铸棒材多道次拉伸至Ф15mm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Ф20mm的拉铸棒，大加工率（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Ф100mm的铸锭，在800℃下热挤压成Ф20mm的棒材，车去表面氧化皮获得Ф18.8mm的光洁毛坯，然后

5、进行拉伸或镟锻两种冷加工方式，工序流程如下：Ф18.8Ф17Ф16.1Ф15.3Ф14.5Ф18.8Ф18.3Ф17.2Ф16Ф15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.Ф15.5mm的再结晶退火棒材Ф12.6mm，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

6、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Ф19.6mm多道拉伸至Ф17mm，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σz、σt、σr。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σ

7、zx·σtx。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σz′σt′σr′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，σr（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σtx应为（6）另外，σt和σr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σr（b）=0（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

8、力沿截面分布，积分项采用σzx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