图 1断裂顶铁整体及断口的宏观形貌
顶铁是一种用于铆接的工具,与铆钉枪配合,在锤铆过程中顶铁顶住铆钉钉杆端,用铆锤锤击铆钉,冲击瞬间顶铁顶住铆钉使其变形,从而进行铆接[1]。顶铁的主要生产原材料为钢和钨合金。因钨合金具有高密度、高强度等优点,在加工顶铁时钨合金比钢更受欢迎[2]。93WNiFe合金具有优异的力学性能,是理想的铆钉顶铁材料。93WNiFe合金是一种钨基高密度合金,主要由钨、镍、铁等元素组成,其制备工艺为：粉末压坯→真空烧结→工件真空退火,单质钨颗粒镶嵌在基体中,基体为一种韧性相、黏结相[3]。
某顶铁在铆接5颗铆钉后,其工作的小头部位发生断裂。笔者采用一系列理化检验方法对该顶铁的断裂原因进行分析,并提出针对性预防措施,以避免该类事故再次发生。
1. 理化检验
1.1 宏观观察
断裂顶铁及断口的宏观形貌如图1所示。由图1可知：断裂位置为顶铁R角根部,断裂位置表面未见宏观塑性变形；断口表面较干净、平整、细腻,裂纹起源于顶铁表面的截面变化位置,即R角根部,呈长线源特征；断裂源区可见应力台阶,断口上可见扩展棱线由R角位置向另一侧扩展。
1.2 化学成分分析
在断裂顶铁及正常顶铁上取样,对试样进行化学成分分析,结果如表1所示。由表1可知：断裂顶铁试样和正常顶铁试样的化学成分均符合YS/T 1148—2016《钨基高比重合金》的要求。
Table 1.断裂顶铁及正常顶铁的化学成分分析结果
1.3 扫描电镜（SEM）及能谱分析
将断裂顶铁的断口进行超声波清洗后,置于扫描电镜下观察,结果如图2所示。由图2可知：断口呈典型沿晶断裂特征,钨颗粒呈冰糖块状,大部分钨颗粒直接相连,黏结相含量较少,断口上可见显微孔洞特征。
取正常未使用的顶铁,制作人工断口,其SEM形貌如图3所示。由图3可知：体心立方的圆形钨颗粒镶嵌在面心立方的黏结相中,主要发生钨颗粒的穿晶解理断裂,钨颗粒与黏结相分离,且黏结相呈撕裂断裂形态,钨颗粒穿晶解理断裂所需应力大于钨-钨晶粒界面断裂、黏结相断裂所需应力,因此正常顶铁表现出较高的抗拉强度与韧性。
采用能谱仪对断裂顶铁试样进行面扫描分析,结果如图4所示。由图4可知：Ni、Fe元素组成的黏结相分布不均匀,呈断续状。
采用能谱仪对正常顶铁试样进行面扫描分析,结果如图5所示。由图5可知：Ni、Fe元素组成的黏结相呈网格状,钨元素呈聚集球形分布,即钨颗粒,黏结相均匀分布并包裹着钨颗粒。
1.4 金相检验
在断裂顶铁和正常顶铁的断口附近取样,制备金相试样,用体积分数为20%的铁氰化钾+氢氧化钠水溶液腐蚀试样,然后将试样置于光学显微镜下观察,结果如图6所示。由图6可知：断裂顶铁的钨颗粒晶粒尺寸较正常顶铁小,晶粒形状不规则,可见大量的孔隙；正常顶铁中钨颗粒均匀地分布在基体上。
1.5 密度检测
分别在断裂顶铁和正常顶铁上取样,采用排水法对试样进行密度检测,断裂顶铁的密度为16.75 g/cm3,正常顶铁的密度为17.79 g/cm3,根据标准YS/T 1148—2016,对93WNiFe合金的密度要求为（17.5±0.3） g/cm3,说明断裂顶铁的密度偏低。
1.6 硬度测试
分别在断裂顶铁和正常顶铁上取样,对试样进行洛氏硬度测试,结果如表2所示。标准YS/T 1148—2016对硬度的要求为不大于33 HRC,断裂顶铁和正常顶铁的硬度均符合标准要求,但断裂顶铁的硬度低于正常顶铁。
Table 2.断裂顶铁和正常顶铁的硬度测试结果
2. 综合分析
在铆接过程中顶铁为主要受力件（见图7）,在锤铆过程中,顶铁顶住铆钉钉杆端,铆锤锤击铆钉时,冲击瞬间顶铁顶住铆钉使其变形。在工作时,顶铁小头部位受力最大,且该部位存在界面变化的倒角,易形成断裂源。由宏观观察结果可知,顶铁小头部位发生断裂,断口呈脆性断裂形貌。
钨合金的主要断裂方式有4种,分别为W-W界面分离、钨颗粒解理断裂、钨颗粒与黏结相界面分离、黏结相的撕裂,其中W-W界面分离、钨颗粒解理断裂性质为脆性断裂；钨颗粒与黏结相界面分离、黏结相的撕裂性质为韧性断裂。钨颗粒解理断裂所需应力往往高于其余3种断裂所需应力,因此断口微观形貌可见钨颗粒解理断裂与黏结相断裂,合金表现出优异的力学性能[4-6]。正常顶铁断口呈典型的钨合金组织形貌,体心立方的圆形钨颗粒镶嵌在面心立方的黏结相中,主要断裂方式为钨颗粒的穿晶解理断裂以及黏结相断裂,使材料具有较高的强度。断裂顶铁断口呈冰糖块状,呈典型的沿晶脆性断裂特征[7],导致材料的力学性能急剧下降,因此断裂顶铁的强度低于正常顶铁。
断裂顶铁的化学成分及硬度测试结果均未见异常,但存在不正常的钨合金组织,密度低于标准要求,说明顶铁材料正常,但热工艺过程存在异常。
钨合金的形成是典型液相烧结过程,烧结温度对钨合金组织的影响很大[8],烧结温度主要影响黏结相的分布与钨颗粒的大小、形态。当烧结温度过低时,黏结相的溶解扩散不均匀,钨颗粒溶解与析出不充分,钨颗粒来不及长大,直接导致钨颗粒的晶粒尺寸较小,颗粒之间没有形成结合牢固的网络状黏结相,看不到典型的钨合金组织,且烧结温度越低,钨合金的致密度越差。当烧结温度适中时,钨颗粒溶解与析出过程充分,可使球形钨颗粒均匀分布于黏结相中,且由于毛细管力的作用,钨颗粒会重新排列,使合金达到一个非常致密的状态。断裂顶铁中的黏结相分布不均匀,钨颗粒呈不规则状,且大部分钨颗粒直接相连,W-W界面结合强度很低,导致顶铁材料的强度较低,且断裂顶铁的密度低于正常顶铁。
顶铁在工作时,其小头部位受力最大,该部位存在界面变化的R角,裂纹在该处萌生,在工作应力的作用下,裂纹扩展,由于材料本身强度不够,裂纹的扩展速率加快,当受力面积不足以支撑其工作应力时,顶铁发生断裂。
3. 结论与建议
烧结温度过低、黏结相分布不均匀、钨颗粒没有及时长大、颗粒之间没有形成结合牢固的网络状黏结相、合金致密度差等原因导致合金材料的内部界面结合强度降低。当合金受到应力时,顶铁工作小头部位的R角根部位置萌生微裂纹,裂纹不断扩展,最终导致顶铁断裂。
建议合理设置热处理工艺参数,及时校准真空退火炉的温度,避免热处理工艺参数控制不当而导致工件不合格。
来源--材料与测试网