鈦合金螺栓斷裂原因分析

龐小超，白明遠

(北京航空材料研究院，北京 100095)

0 引言

鈦合金具有高比強度、較寬的工作溫度范圍和優(yōu)異的腐蝕抗力，在航空航天領(lǐng)域中被廣泛用于制作壓氣機葉片、盤、機匣以及緊固類零件［1－3］;但是，與結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼和高溫合金相比，對表面損傷和缺陷具有更大的敏感性。對鈦合金零部件加工、裝配和使用中的任何疏忽，都會使鈦合金零部件的使用性能產(chǎn)生意想不到的不良后果，甚至?xí)l(fā)生嚴(yán)重的斷裂事故。鈦合金在使用過程中曾出現(xiàn)過許多斷裂事故，其中絕大多數(shù)都與疲勞有關(guān)［4］;因此，疲勞抗力是衡量鈦合金零部件可靠性最重要的指標(biāo)之一。鈦合金的疲勞抗力，對零部件的表面完整性特別敏感，許多表面因素，如污染、劃傷、夾雜、腐蝕等，均能誘發(fā)疲勞裂紋的萌生和擴展，導(dǎo)致零件斷裂［5］。

鈦合金構(gòu)件許多疲勞故障均與表面完整性相關(guān)，系統(tǒng)分析由于表面損傷引起的疲勞失效對鈦合金的可靠使用具有重要意義。某鈦合金螺栓為一個連接結(jié)構(gòu)中連接一個單耳和一個雙耳的緊固件，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。在例行檢查時發(fā)現(xiàn)該螺栓斷成3段，僅剩下中間一斷長度約為7mm。螺栓材料為TC4鈦合金。通過對斷裂螺栓表面完整性情況觀察分析，斷口宏微觀觀察、金相組織分析力學(xué)性能檢測等方法，確定螺栓斷裂性質(zhì)和原因，并提出改進措施。

1 試驗過程與結(jié)果

1.1 宏觀觀察

圖1 螺栓連接結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Bolt connection structure

圖2 鈦合金螺栓的外觀形貌Fig.2 Appearance of titanium alloy bolt

鈦合金螺栓斷裂位于螺栓的光桿部位(圖2)。斷口側(cè)面可見較重的磨損痕跡，斷裂從磨損痕跡起源。為了便于描述，將兩個斷口記為A、B斷口，斷口宏觀形貌如圖3所示。A斷口邊緣磨損較重，呈亮白色，中間區(qū)域存在輕微磨損，呈亮灰色，斷口平坦;B斷口有3/4周的剪切唇，中間區(qū)域存在輕微磨損，呈亮灰色，放射棱線粗大，斷口平齊。對其余共33根螺栓進行表面形貌檢查，發(fā)現(xiàn)在螺栓光桿部位也存在類似的磨損形貌，其中螺栓磨損較重區(qū)域與斷裂螺栓的磨損情況相同，螺栓磨損區(qū)域約占整個圓周的1/2，其寬度約為4mm，在光桿部分磨損較重區(qū)域的斜對側(cè)磨損較輕，在磨損較重區(qū)域邊緣的對面僅存在一條較細磨痕，寬度約為0.3mm，其余位置磨損較輕。

圖3 斷裂螺栓的斷口宏觀形貌Fig.3 Fracture surface macroscopic morphology of fractured bolt

1.2 斷口微觀觀察

采用JSM－56004LV型掃描電鏡對裂紋斷口進行微觀觀察。A斷口較平坦，起源于螺栓表面，源區(qū)邊緣存在磨損發(fā)亮痕跡，僅可見一條疲勞臺階(圖4)。擴展區(qū)可見明顯的疲勞條帶特征(圖5)。瞬斷區(qū)為韌窩特征。A斷口源區(qū)側(cè)面可見較重磨損區(qū)域，且可見2條微裂紋(圖6、圖7)。

B斷口斷面平坦，源區(qū)無磨損特征，放射狀棱線明顯，且疲勞臺階高差較大，呈多源特征。圖8為斷口源區(qū)的低倍形貌，疲勞擴展區(qū)可見疲勞條帶(圖9)，瞬斷區(qū)的韌窩特征。

1.3 材質(zhì)檢驗

在靠近斷口位置截取金相試樣，磨拋后經(jīng)氫氟酸+硝酸+水腐蝕后，采用OLYMPUS PME3型光學(xué)顯微鏡對試樣進行顯微組織觀察。螺栓基體顯微組織為等軸初生α相及晶界處轉(zhuǎn)變β相(圖10)。

采用WOLPERT 401MVD顯微硬度儀對斷裂螺栓和同批次螺栓進行顯微硬度檢測。檢測結(jié)果表明，斷裂螺栓和同批次螺栓硬度相差不大，硬度比較均勻，見表1。

對同批次螺栓采用化學(xué)粉末法對其化學(xué)成分進行檢測，檢測結(jié)果見表2，可知其化學(xué)成分符合技術(shù)要求。

表1 螺栓顯微硬度測量結(jié)果(HV0.2)Table 1 Microhardness of titanium alloy bolt(HV0.2)

表2 鈦合金螺栓化學(xué)成分檢測結(jié)果Table 2 Chemical compositions of titanium alloy bolt

圖10 螺栓基體金相組織形貌Fig.10 Metallographic microstructure morphology of bolt

對同批次10根螺栓分兩組分別進行拉伸和剪切試驗，試驗結(jié)果見表3。可知，同批次螺栓的力學(xué)性能符合相關(guān)要求。

2 分析與討論

2.1 斷裂性質(zhì)分析

從以上試驗結(jié)果可知，螺栓A、B斷口均無明顯的塑性變形，斷口較平齊;A、B斷口微觀形貌均呈疲勞斷裂特征，在疲勞擴展區(qū)可見疲勞條帶特征，其中A斷口源區(qū)可見一條疲勞臺階，高差較小，斷口源區(qū)磨損較重，顏色發(fā)亮;B斷口源區(qū)無磨損特征，可見多條疲勞臺階，高差較大。綜合判斷失效螺栓的斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂，且根據(jù)斷口特征可知，A斷口先萌生疲勞裂紋，由于A斷口先產(chǎn)生了疲勞裂紋，改變了螺栓的受力情況，從而導(dǎo)致B斷口在較大的應(yīng)力下萌生疲勞裂紋。

表3 鈦合金螺栓力學(xué)性能數(shù)據(jù)Table 3 Mechanical properties of titanium alloy bolt

2.2 斷裂原因分析

在鈦合金螺栓A、B兩個斷口均起源于螺栓光桿部分的磨損區(qū)域，且在螺栓源區(qū)側(cè)面(光桿部分的磨損區(qū)域)存在微裂紋。兩個斷口的源區(qū)不在螺栓的同一側(cè)，而是在螺栓的兩側(cè)，呈對角線分布。對同批次裝機的鈦合金螺栓光桿部位的痕跡進行了檢查，均為磨損痕跡。其磨損特征與斷裂螺栓的特征相似，均為螺栓光桿部分一側(cè)磨損，其斜對側(cè)也存在相應(yīng)的磨痕。

結(jié)合此處的連接結(jié)構(gòu)和裝配生產(chǎn)時的流程可知，單耳與螺栓并不是垂直接觸，而是呈一定角度，這正與螺栓斷裂的源區(qū)位置相吻合，如果單耳與螺栓垂直接觸，其螺栓斷口源區(qū)應(yīng)在螺栓光桿部分同一側(cè)，而不是兩側(cè)，且其磨痕也應(yīng)是同一側(cè)的磨痕。

由于單耳與螺栓并不是垂直接觸，而是呈一定的角度，使得螺栓實際承受的載荷加大，且單耳的孔邊沒有倒角，使得螺栓光桿部位與單耳孔邊接觸位置的磨損加劇，在磨損嚴(yán)重位置萌生疲勞裂紋。

綜上所述，鈦合金螺栓的斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂;單耳與螺栓呈一定角度和單耳的孔邊沒有倒角，加劇了螺栓光桿部位的磨損，破壞了鈦合金螺栓表面完整性，從而在磨損位置萌生疲勞裂紋，最后導(dǎo)致疲勞斷裂。

3 結(jié)論

1)由于在裝配過程中螺栓與單耳呈一定角度接觸，使得螺栓表面過早產(chǎn)生嚴(yán)重磨損，導(dǎo)致鈦合金螺栓在磨損嚴(yán)重部位萌生疲勞裂紋，從而造成鈦合金螺栓發(fā)生斷裂;

2)為了避免再次出現(xiàn)因磨損破壞鈦合金表面完整性而發(fā)生疲勞斷裂，建議在裝配過程中，保持單耳與螺栓垂直接觸;同時為了更好地保證鈦合金螺栓表面完整性，建議在單耳孔邊增加倒角，并在螺栓連接位置增加襯套結(jié)構(gòu)。

［1］張衛(wèi)方，劉德林，劉昌奎，等.鈦合金螺釘脆性斷裂原因分析［J］.失效分析與預(yù)防，2007，2(2):29－33.

［2］趙愛國，王慶如.鈦合金自鎖螺母裂紋故障分析［J］.失效分析與預(yù)防，2006，1(3):42－45.

［3］高玉魁.噴丸對 Ti－10V－2Fe－3Al鈦合金拉—拉疲勞性能的影響［J］.中國有色金屬學(xué)報，2004，14(1):60－63.

［4］張衛(wèi)方，劉慶瑔，陶春虎.鈦合金損傷與預(yù)防的研究進展［J］.材料工程，2003(增刊):21－24.

［5］陶春虎，劉慶瑔，曹春曉.航空用鈦合金的失效及其預(yù)防［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2002:186－187.