擰緊力矩對(duì)飛行器連接件應(yīng)力腐蝕的影響分析

張宏飛盧猛

（1. 中國(guó)人民解放軍陸航部駐洛陽(yáng)地區(qū)軍事代表室，河南洛陽(yáng) 471003；2.中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院凱邁氣源，河南洛陽(yáng) 471003）

擰緊力矩對(duì)飛行器連接件應(yīng)力腐蝕的影響分析

張宏飛1盧猛2

（1. 中國(guó)人民解放軍陸航部駐洛陽(yáng)地區(qū)軍事代表室，河南洛陽(yáng) 471003；2.中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院凱邁氣源，河南洛陽(yáng) 471003）

在應(yīng)力腐蝕理論基礎(chǔ)上，結(jié)合強(qiáng)度理論和高壓氣源產(chǎn)品螺紋強(qiáng)度設(shè)計(jì)理論，考慮工作氣壓力、材料性能等參數(shù)，建立失效極限狀態(tài)方程，有針對(duì)性的設(shè)計(jì)驗(yàn)證試驗(yàn)，對(duì)應(yīng)力腐蝕失效件進(jìn)行了金相組織、微觀組織和能譜分析，驗(yàn)證了用于承受氣壓力螺紋連接件擰緊力矩正確算法的有效性，同時(shí)也證明了其在航空航天工程領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值。

擰緊力矩 螺紋連接 高壓氣源 應(yīng)力腐蝕

隨著武器裝備的不斷升級(jí)，螺紋連接結(jié)構(gòu)以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，在裝備的高壓氣動(dòng)控制系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用，但在實(shí)際使用中應(yīng)力腐蝕問(wèn)題也不同程度影響著裝備的整體質(zhì)量。

氫致破裂理論認(rèn)為，腐蝕過(guò)程中產(chǎn)生的H在拉應(yīng)力的作用下沿晶界擴(kuò)散進(jìn)入裂紋尖端區(qū)引起氫脆，從而加速了應(yīng)力腐蝕裂紋的擴(kuò)展［1］。陽(yáng)極溶解模型認(rèn)為高強(qiáng)鋁合金的腐蝕機(jī)理是電化學(xué)性質(zhì)的［2］，合金在應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的作用下，氧化膜被破壞，在拉應(yīng)力作用下，裸露的基體金屬與氧化膜在介質(zhì)環(huán)境中形成小陽(yáng)極和大陰極的自腐蝕電池，發(fā)生陽(yáng)極溶解［2~3］，促使裂紋較快擴(kuò)展。

1　理論分析計(jì)算

在飛行器的高壓氣源系統(tǒng)中，螺紋連接結(jié)構(gòu)在起到可靠連接作用的同時(shí)，還要起到密封、防松、防應(yīng)力腐蝕等作用，所在設(shè)計(jì)計(jì)算是要綜合考核密封力、防松力和應(yīng)力腐蝕門(mén)檻應(yīng)力的要求。

1.1允許的最大預(yù)緊力

螺紋連接件裝配時(shí)，在預(yù)緊力矩作用下，螺紋連接件除受到預(yù)緊力拉伸作用而產(chǎn)生拉伸應(yīng)力外，還受到螺紋間的摩擦力矩的扭矩作用而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，此時(shí)螺栓處于拉伸與扭轉(zhuǎn)的復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下。

預(yù)緊時(shí)，過(guò)大的預(yù)緊力會(huì)使螺紋連接件發(fā)生靜力破壞，增大應(yīng)力腐蝕敏感性。根據(jù)第四強(qiáng)度理論，可知當(dāng)有氣壓力作用時(shí)，相當(dāng)于外加拉伸載荷作用，螺紋連接件上拉應(yīng)力增大，通過(guò)推導(dǎo)可知有氣壓力作用下螺紋連接件所需的最大預(yù)緊力公式［4~5］。

1.2螺紋連接擰緊力矩計(jì)算

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，用于承受氣源壓力的飛行器螺紋連接件，在擰緊時(shí)，要克服螺紋副間的螺紋力矩和支撐面的摩擦力力矩，于是根據(jù)螺紋連接件幾何尺寸及工作氣壓力可以推導(dǎo)出擰緊力矩的工程應(yīng)用公式。

2　試驗(yàn)方法與結(jié)果

利用材料為7A09鋁合金制作螺紋副。按照上述理論分析，擰緊力矩應(yīng)不大于110 N·m。為了驗(yàn)證上述分析的準(zhǔn)確性，進(jìn)行了兩種自然腐蝕試驗(yàn)，試件一施加130N·m擰緊力矩內(nèi)部存貯35MPa氮?dú)猓谀虾Ｗ匀画h(huán)境下540天后出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕失效；試件二施加65N·m擰緊力矩內(nèi)部存貯35MPa氮?dú)?，在南海自然環(huán)境下1080天后仍完好。隨后對(duì)應(yīng)力腐蝕失效后的試件一分別進(jìn)行了金相組織分析、顯微分析和能譜分析。

對(duì)失效件在掃描電鏡下觀察，試件一中的螺栓斷口裂紋從平行于棒材軋制方向一側(cè)的螺紋根部表面起始，該部位以沿晶斷裂為主，晶界輪廓不清晰，沿晶面上有腐蝕產(chǎn)物，斷口其余部位為沿晶+韌窩混合形貌特征，斷面上無(wú)明顯腐蝕產(chǎn)物。對(duì)失效件利用X射線能譜儀進(jìn)行成分分析表明，沿晶面上腐蝕產(chǎn)物中含有Cl、S腐蝕性元素。對(duì)失效件在沿平行于斷口平面方向、斷口背面磨取金相試樣，腐蝕后觀察其金相組織正常，未發(fā)現(xiàn)組織過(guò)燒現(xiàn)象。另外，在斷面螺紋根部、斷口側(cè)面有大量的腐蝕坑，局部可見(jiàn)氧化膜開(kāi)裂和多條從腐蝕坑處起始的裂紋特征。

3　分析與討論

綜合試驗(yàn)結(jié)果分析，試件一中的螺栓結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)斷口宏觀上裂紋起始部位以沿晶斷裂特征為主，沿晶面上有腐蝕產(chǎn)物，其中含有Cl、S腐蝕性元素，而斷口其余部位為沿晶韌窩混合形貌特征，斷面上無(wú)明顯腐蝕產(chǎn)物，這些表明試件一中的螺栓結(jié)構(gòu)件的斷裂性質(zhì)為應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂引起的快速脆斷。斷裂系試件安裝擰緊力矩過(guò)大，使得螺栓結(jié)構(gòu)件所承受的拉應(yīng)力遠(yuǎn)大于門(mén)檻值，其表面的氧化膜被腐蝕而受到破壞，破壞表面和未破壞表面分別形成陽(yáng)極和陰極，陽(yáng)極處的金屬成為離子而被溶解，產(chǎn)生電流流向陰極。由于陽(yáng)極面積比陰極的小得多，陽(yáng)極的電流密度很大，進(jìn)一步腐蝕已破壞的表面。加上氣壓力的作用，破壞處逐漸形成裂紋，裂紋隨時(shí)間逐漸擴(kuò)展直到斷裂。

通過(guò)試件二的試驗(yàn)可知，合理設(shè)計(jì)選擇螺紋連接件的擰緊力矩，可保證即使該類結(jié)構(gòu)在腐蝕環(huán)境中也不容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕失效，因此在類似結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須給予關(guān)注。

4　結(jié)語(yǔ)

本文是在多年來(lái)積累的工程經(jīng)驗(yàn)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行歸納總結(jié)，通過(guò)公式推導(dǎo)和試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果證明擰緊力矩對(duì)飛行器螺紋連接結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力腐蝕有著重要影響，選擇合適的擰緊力矩是避免飛行器螺紋連接結(jié)構(gòu)件出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題的有效保證之一，推導(dǎo)出的理論計(jì)算公式為飛行器用高壓氣源系統(tǒng)的螺紋連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論參考。

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