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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 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 蚀性能，
2、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
3、，从 19.614.5 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
4、间退火均未发现裂纹的发生。 5.用 20mm 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 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：18.81716.115.31%18拉伸%27拉伸%33拉伸%33拉伸4.518.818.317.21
5、615 %5镟 %16镟 %27镟 %36镟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. 15.5mm 的再结晶退火棒材12.6mm，然后用慢速小切屑%34镟锻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
6、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 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 zxtx。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)brzzdar2)(122由于zzzx（2
7、）darbrzzzx222将（2）对 r 微分，整理后得（3）zxzardrd ardrd)(122 22从 r 到 b 积分，而 bbzxz（4） darrzxbrzxz222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）2222ararrzX 光测量的切应力 tx应为（6）tttx另外，t和 r满足平衡方程：（7）trrdrd)(从（5） 、 （6） 、 （7）可以推出 （8）rr txara drdr2222 用除以两边，从 r 到 b 积分，由于 r（b）=0)(22arr（9）dararrtxbrr22222 )(（9）代入（7）d
8、ararrrtxbrtxt22222 )()(（10） 对于棒材 a=0（4） （9） （10）即为（11）drrbrzx zxz2)()(drrbrtx txt)()(（12）drbrtx r)(（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112110ln)(21ln)(21ln)(211210nn zxnzzxzxzxzxbrzxrrxrr rrdnKK（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
9、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，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
10、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
11、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
12、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 International Metallography Societh vol 5 P229 （2）P Islor S Inst Met1972 12 107 （3）米谷茂 材料 vol 18 No 190 1969 P 610 （4）机电所 165mm 冷轧辊残余应力沿截面分布。图 1圆筒的外剥层.图 2 拉伸棒材图 3 旋锻棒材图 4 旋锻棒材截面应力分布曲线
