某氣瓶包帶斷裂原因分析

燕 翔，張振宇，黃 芳

(航天科工集團第九研究院8602廠，湖北孝感432100)

0 引言

鉚接是利用軸向的沖擊載荷，將零件鉚釘孔內(nèi)釘桿墩粗并形成墩頭以實現(xiàn)多個零件連接的工藝，盡管鉚接連接存在降低構(gòu)件強度，容易引起變形，增加結(jié)構(gòu)重量，疲勞強度低等缺點，但因其工藝過程簡單，連接易于實現(xiàn)自動化，能適應各種不同材質(zhì)構(gòu)件間的連接等優(yōu)點，在航空、汽車、家電等領域的應用非常廣泛。

環(huán)形氣瓶支架組件為環(huán)形氣瓶的固定裝置，由環(huán)形氣瓶支架、連接軸、包帶等零件組成，氣瓶的4個象限各布置有一套氣瓶支架組件。包帶的材料為合金彈簧鋼(60Si2MnA)，采用鉚接方式與相關(guān)零件的剛性連接，在對某環(huán)形氣瓶緩慢充放氣試驗時，當氣壓首次升至28 MPa時，氣瓶Ⅰ象限環(huán)形氣瓶支架組件的一根包帶在鉚接部位發(fā)生斷裂(圖1)，正常情況下，氣瓶的充氣氣壓應為30 MPa。為分析原因，對包帶進行宏觀、微觀觀察，對材質(zhì)進行化學成分分析，對金相組織進行檢查，測試了斷裂包帶及完好包帶的拉伸性能，以確定包帶的失效模式，分析斷裂失效機理，在工程實踐中具有一定的指導意義。

1 試驗過程與結(jié)果

1.1 宏觀觀察

包帶整體呈鍍鋅后的金黃色，去除包帶內(nèi)側(cè)的毛氈，可見斷裂擴展路徑大致與2個鉚點中心連線重合(圖1)，斷裂區(qū)域附近可見明顯的翹曲、伸長塑性變形特征，在2處鉚點之間區(qū)域有顯著的塑性伸長特征。沿鉚孔邊緣，有寬度約0.8 mm的環(huán)狀凹陷，凹陷表面較粗糙，有明顯擠壓痕跡。

由圖1可見，斷口呈45°角切斷斷口特征，較粗糙，無光澤，呈暗灰色，在孔端存在較嚴重的擦傷痕跡。斷裂包帶內(nèi)側(cè)毛氈局部磨損較嚴重，透過毛氈明顯可見橙黃色的xy401膠粘劑(圖2a)，完好的包帶內(nèi)側(cè)毛氈厚度較均勻，未見明顯磨損(圖2b)。

圖1 斷裂部位宏觀形貌Fig.1 Macroscopic appearance of fracture site

圖2 包帶內(nèi)側(cè)毛氈外觀Fig.2 Appearance of inner felt of wrap belts

由圖1、圖2的觀察結(jié)果可見，包帶呈塑性斷裂特征，裂源起始于鉚孔邊緣并向中間和兩側(cè)擴展，鉚孔間的區(qū)域為最終斷裂區(qū)，在鉚孔邊緣受擠壓變形較嚴重。

1.2 化學成分分析

運用等離子光譜分析儀(ICP)對斷裂包帶合金元素及雜質(zhì)元素進行分析，分析結(jié)果如下表1。

表1 包帶的化學成分分析(質(zhì)量分數(shù) /%)Table 1 Results of chemical composition analysis by ICP(mass fraction/%)

由表1可知，各元素含量符合相關(guān)標準要求。

1.3 金相組織檢查

去除鉚釘，在鉚孔邊緣區(qū)域切取金相試樣，磨制拋光，用4%(質(zhì)量分數(shù))硝酸酒精侵蝕，放在金相顯微鏡下觀察。鉚孔邊緣可見多處楔狀裂紋，大致沿徑向分布，深度約0.15 mm，典型裂紋特征(圖3)。裂紋周邊組織正常，為珠光體與鐵素體的混合組織，珠光體組織多呈球狀，未見脫碳、石墨碳等組織缺陷(圖4)。

圖3 孔邊緣的裂紋特征Fig.3 Cracks at the hole edge

1.4 斷口微觀觀察

將斷口清潔后放入掃描電子顯微鏡下觀察。斷口邊緣形貌特征如圖5所示，可見，斷口呈韌窩斷裂特征，局部有明顯的擦傷痕跡，源區(qū)特征不明顯。斷口其他區(qū)域也均呈韌窩斷裂特征。

觀察鉚孔凹陷表面區(qū)域，較為粗糙，擠壓變形痕跡明顯，在斷口附近，可見多處邊緣裂紋，裂紋大致沿徑向分布(圖6)，進一步觀察，其中一處裂紋裂寬較大，可見明顯的開放斷面(圖7)，局部裂紋則呈鋸齒狀(圖8)。

同結(jié)構(gòu)的另一根包帶鉚孔邊緣凹陷表面形貌(圖9)，同樣可見多處呈徑向分布裂紋，裂紋尺寸相對較小，且未擴展至鉚孔邊緣。

1.5 拉伸性能試驗

從斷裂包帶以及完好包帶(同氣瓶支架組件)上切制拉伸試樣，為避免試樣夾持部分破壞影響試驗結(jié)果，在試樣夾持段鉚接厚度2 mm的不銹鋼板，另外，增加一組同規(guī)格同狀態(tài)的彈簧鋼帶拉伸試樣，試樣狀態(tài)完全與包帶相同，在AG－I 250 KN型電子萬能試驗機上進行拉伸性能試驗，測得的σ-ε曲線見圖10，拉伸性能數(shù)據(jù)見表2。

圖4 裂紋周邊顯微組織Fig.4 Microstructure around the crack

圖5 斷口邊緣的微觀韌窩特征Fig.5 Dimples at the edge of the fracture surface

圖6 孔邊緣裂紋形貌Fig.6 Crack appearance at hole edge

圖7 Ⅰ區(qū)放大形貌Fig.7 Amplified appearance of regionⅠ

圖8 Ⅱ區(qū)放大形貌Fig.8 Amplified appearance of region Ⅱ

圖9 完好包帶鉚孔邊緣形貌Fig.9 Appearance of intact wrap belt around rivet hole edge

圖10 包帶拉伸應力-應變曲線Fig.10 Tensile stress-strain curves of wrap belts

表2 包帶拉伸性能試驗結(jié)果Table 2 Tensile test results of wrap belts

由σ-ε曲線可知，斷裂包帶與完好包帶、彈簧鋼帶曲線特征無明顯差異，曲線可明顯的分為彈性變形階段、屈服階段、硬化階段和斷裂階段，材料的彈性極限σp近似等于屈服強度σs，彈性應變極限εp≈2.5%。由測試的性能結(jié)果可知，3組狀態(tài)的材料抗拉強度、屈服強度以及延伸率均無明顯的差異，性能數(shù)據(jù)符合標準要求，材料在退火狀態(tài)(T)下也有較高的屈強比(σs/σm≈0.8)。

1.6 氣瓶充放氣試驗

為進一步驗證環(huán)形氣瓶充氣后截面直徑變化是否異常，按正常充氣試驗工藝對氣瓶緩慢充氣到30 MPa，多次反復充放氣試驗后測量氣瓶橫截面的直徑的變化情況，結(jié)果測得結(jié)果見表3。

表3 氣瓶充氣前后截面直徑變化量Table 3 Section diameter of gas bottle before and after air inflation

以上試驗可知，氣瓶充氣后截面直徑變化量為2～3 mm，周長變化率為0.4% ～0.6%，考慮到包帶內(nèi)側(cè)的毛氈能承受部分變形，在氣瓶充氣達到規(guī)定氣壓時，包帶的變形率應在0.6%以下，由前面拉伸性能測試結(jié)果可知，包帶的彈性應變極限εp≈2.5%，由此可知，氣瓶充氣后的尺寸變化正常，包帶在工作狀態(tài)下承受的應力應低于屈服應力，處于完全彈性變形階段。

2 分析與討論

通過以上試驗可知，包帶金相組織正常，化學成分符合標準要求;裂源位于鉚釘孔凹陷裂紋缺陷處，并向中間和兩側(cè)擴展，兩鉚釘孔間的區(qū)域為最終斷裂區(qū);斷裂呈塑性的切斷斷口特征，微觀下可見韌窩斷裂特征;包帶非鉚接區(qū)域在充氣狀態(tài)承受的環(huán)向應力低于材料屈服應力。

在鉚接過程中，鉚接孔孔口邊緣區(qū)域受到應力主要有環(huán)向拉應力，它是鉚釘釘桿墩粗時產(chǎn)生的，在該應力作用下，鉚釘孔被脹大，隨后在鉚釘與鉚孔形成過盈配合，此時還承受墩頭成型時的壓應力及表面摩擦力，由此，孔口邊緣區(qū)域發(fā)生塑性變形形成一定深度的凹陷并沿厚度方向減薄，表面粗糙度因受擠壓而降低。在鉚接前，通常需要對鉚接孔進行加工，包括鉆孔、擴孔、去毛刺等工序，但若在加工孔及擴孔工序中控制不到位，極易造成孔邊緣機械損傷，萌生裂紋，形成裂源。

60Si2Mn是應用廣泛的硅錳彈簧鋼，淬火回火后材料具較高屈強比，通常用于制造各類彈簧部件。為滿足要求，選用退火態(tài)鋼帶加工包帶，就包帶零件本身而言，還存在幾點問題。

1)包帶厚度為0.5 mm，彎折重疊鉚接的厚度僅1 mm，受尺寸效應影響，缺陷敏感性較高，鉚接部位承載能力降低。在滿足設計要求的前提下，可在鉚接部位加墊鋼墊圈以減少鉚接缺陷的產(chǎn)生，從而保證鉚接部位的強度。

2)通過鉚孔中心的橫截面，存在最大的應力集中，同時，當鉚孔邊緣存在裂紋時，由于裂紋破壞了組織的連續(xù)性，使鉚接部位強度降低，同時還產(chǎn)生應力集中。受應力集中的影響，鉚接部位強度極限降低，對一定塑性的材料，當應力集中區(qū)域應力超過材料屈服應力時，則通過局部塑性變形使應力得到松弛，但對于塑性較差的材料或脆性材料而言，裂紋形核并擴展是釋放應力的惟一途徑。雖然包帶零件為退火(T)狀態(tài)，具備較高的塑性(延伸率達20%)，但在鉚接應力的作用下，孔邊緣發(fā)生塑性變形，產(chǎn)生加工硬化，導致材料強度提高，塑性下降，裂紋進一步擴展的傾向增加。

3)包帶端部采用鉚接實現(xiàn)連接，鉚接是在鉚鉗機一次墩粗的，鉚釘直徑3 mm，鉚釘孔徑3.1 mm，按QJ782—2005規(guī)定，鉚接后墩頭直徑4.5±0.3 mm，墩頭高度 1.6 ±0.4 mm。而鉚接工藝規(guī)程規(guī)定墩頭直徑5.4 mm，墩頭高度1.2 mm。墩頭直徑超出標準上限0.6 mm，過大的墩粗量易導致缺陷的萌生或引起原始缺陷的擴展，從而降低鉚接部位的承載能力，引起構(gòu)件的早期失效。

4)在包帶內(nèi)側(cè)粘附毛氈，以起到緩沖和承受一定應力的作用。通過前面的試驗可知，斷裂包帶內(nèi)側(cè)毛氈局部磨損較嚴重，由此將導致毛氈對應力的緩沖作用減弱，實際承載應力減小，包帶本體承載應力增大，從而更利于裂紋的擴展。

綜上所述，鉚接過程控制不到位，導致鉚孔邊緣萌生裂紋缺陷，在環(huán)向應力作用下，裂紋擴展并導致了斷裂的發(fā)生，過大的墩粗量以及毛氈的磨損對裂紋的擴展起到了促進作用。

3 結(jié)論

1)包帶組織正常，化學成分符合標準要求;

2)包帶在充氣狀態(tài)下承受的環(huán)向應力低于材料屈服應力;

3)鉚接過程控制不到位以致鉚孔產(chǎn)生裂紋，在應力作用下，裂紋擴展并導致斷裂，過大的墩粗量以及毛氈磨損對斷裂的發(fā)生起到促進作用;

4)建議加強鉚接過程的質(zhì)量控制，并在滿足設計要求的前提下，減小墩粗量或在鉚接面上增加鋼性墊圈，以盡量減小對鉚接部位的損傷，保證鉚接部位的連接強度。

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