托板螺母自鎖失效原因探討

姜 濤，黃 超，歐陽(yáng)康，劉春江，張 兵

(1.中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2.中航工業(yè)失效分析中心，北京 100095；3.航空材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100095；4.材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；5.國(guó)營(yíng)蕪湖機(jī)械廠，安徽 蕪湖 241007)

0 引言

螺母在使用過(guò)程中由于振動(dòng)等原因會(huì)自行松脫，為防止這種情況發(fā)明了自鎖螺母。自鎖螺母的主要功能是防松、抗振[1]。托板自鎖螺母具有重量輕、安裝部位特殊、使用方便等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)上鈑金件和沖壓件的連接。同時(shí)，托板自鎖螺母是一種制造工藝復(fù)雜、技術(shù)難度較大的緊固件，使用材料涵蓋鈦合金、高溫合金、高強(qiáng)鋼與不銹鋼。因此，生產(chǎn)中偶爾會(huì)出現(xiàn)沖壓開(kāi)裂問(wèn)題，使用過(guò)程中則經(jīng)常發(fā)生螺紋咬死、鎖緊力矩不穩(wěn)定以及松弛變形等現(xiàn)象[2-4]，嚴(yán)重影響自鎖螺母使用可靠性。

在使用量規(guī)檢查飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)艙和尾梁固定口蓋等區(qū)域的自鎖托板螺母時(shí)，發(fā)現(xiàn)大量托板螺母量規(guī)能夠較輕松通過(guò)，且部分托板螺母自鎖部分與量規(guī)之間存在間隙，托板螺母自鎖部分已失效。托板螺母材料為0Cr17Ni5Mo3，σb=(1 180～1 420)MPa，表面鍍銅。針對(duì)此問(wèn)題，本研究對(duì)導(dǎo)致螺母自鎖失效的原因進(jìn)行系統(tǒng)分析，為自鎖螺母質(zhì)量改進(jìn)提供一些借鑒。

1 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

1.1 外觀形態(tài)觀察

失效件表面顏色發(fā)暗，新件為銅紅色，外觀無(wú)異常機(jī)械損傷，螺紋也未見(jiàn)明顯咬合損傷(圖1)。對(duì)送檢螺母螺紋收口形狀進(jìn)行觀察，失效件收口呈橢圓形，但長(zhǎng)軸方向各異(圖2)。新件收口方向相同，長(zhǎng)軸方向與耳片軸線垂直。

對(duì)送檢螺母收口段圓周表面痕跡進(jìn)行觀察，收口痕跡較模糊，僅局部可見(jiàn)。根據(jù)其特點(diǎn)分析，螺母收口方式均為兩點(diǎn)橢圓壓扁收口。

1.2 金相組織檢查

選擇部分螺母進(jìn)行橫、縱剖面低倍組織流線檢查。新螺母流線均沿耳片軸線方向，孔邊可見(jiàn)環(huán)形組織，工藝基本一致。失效雙耳螺母流線與耳片軸線近乎垂直，與新件明顯不同，但兩者收口段的流線均沿著收口長(zhǎng)度方向分布，未見(jiàn)異常(圖3、圖4)。

圖1 托板螺母典型宏觀形貌Fig.1 Macro appearances of plate nuts

圖2 托板螺母外觀Fig.2 Macro appearances of plate nuts

圖3 托板螺母收口橫剖面組織流線Fig.3 Structure lines of the cross sections at the narrowing mouth

圖4 托板螺母收口縱剖面組織流線Fig.4 Structure lines of the longitudinal sections at the narrowing mouth

采用不同浸蝕劑對(duì)螺母晶粒形態(tài)與金相組織進(jìn)行對(duì)比觀察。失效件的表層晶粒特別粗大，心部晶粒、組織細(xì)小，鐵素體呈流線分布；新件晶粒整體均勻、細(xì)小，表層無(wú)差異(圖5)。所有螺母表層、心部均為馬氏體組織，失效件的表層粗晶區(qū)馬氏體粗大，殘余奧氏體較多，無(wú)明顯鐵素體；心部細(xì)晶粒區(qū)馬氏體細(xì)小，鐵素體呈鏈狀，較明顯。各螺母鐵素體含量、粗晶區(qū)分布、殘余奧氏體均有所差異(圖6)。

1.3 硬度測(cè)試

在各螺母縱向剖面上測(cè)試維氏硬度，測(cè)試區(qū)域主要包括收口螺紋、表面粗晶區(qū)、心部細(xì)晶區(qū)。新件硬度與失效件相當(dāng)，失效件的邊緣粗晶區(qū)硬度(HV 409～431)高于心部細(xì)晶區(qū)，心部硬度約為HV 400，參照GB/T 1172—1999《黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值》換算的抗拉強(qiáng)度約為1 390 MPa，符合σb=(1 180～1 420)MPa要求，而最高硬度區(qū)換算強(qiáng)度約為1 440 MPa，處于技術(shù)要求上限。

1.4 相結(jié)構(gòu)分析

采用XRD方法對(duì)失效螺母表層粗晶層、心部細(xì)晶區(qū)的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見(jiàn)圖7。兩處組織中均存在馬氏體、鐵素體、殘余奧氏體和碳化物，總體物相結(jié)構(gòu)、類型相同，但不同區(qū)域各類物相比例不同，表層殘余奧氏體含量略高于心部。

3 分析與討論

通過(guò)對(duì)托板螺母損傷情況的觀察，可以排除螺紋磨損及異常咬合損傷導(dǎo)致自鎖失效的可能。托板螺母裝配后，其收口段承受螺栓的徑向擠壓，材料長(zhǎng)期處于穩(wěn)定拉伸載荷的持續(xù)作用，并且螺母長(zhǎng)期裝機(jī)使用后才發(fā)現(xiàn)自鎖失效，說(shuō)明收口段的松弛變形具有明顯的時(shí)間特性，由此判斷托板螺母自鎖失效屬于收口段金屬材料的松弛、變形問(wèn)題。螺母應(yīng)力松弛特性取決于材料組織狀態(tài)、收口區(qū)材料變形情況、收口大小、收口方式以及環(huán)境溫度等多重因素，影響因素極為復(fù)雜。下面從應(yīng)力松弛的本質(zhì)特點(diǎn)加以討論。

圖5 托板螺母晶粒尺度對(duì)比Fig.5 Comparison of grain size

圖6 托板螺母組織對(duì)比Fig.6 Comparison of microstructure

圖7 失效螺母表層與心部組織XRD結(jié)果對(duì)比圖

應(yīng)力松弛是指材料在總變形量不變的條件下，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)應(yīng)力逐漸降低的現(xiàn)象。在一定的溫度及應(yīng)力下，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)應(yīng)力逐漸降低，若要保持總變形量不變，則必然存在著彈性變形不斷地向塑性變形的轉(zhuǎn)變過(guò)程。所以應(yīng)力松弛過(guò)程中必然伴隨著位錯(cuò)的遷移和晶界的滑動(dòng)。應(yīng)力松弛過(guò)程與熱激活及應(yīng)力激活有關(guān)[5]。失效的托板螺母雖然出現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)艙和尾梁等部位，具有一定的使用溫度，但僅有個(gè)別自鎖失效，說(shuō)明其仍屬于低溫區(qū)，此時(shí)應(yīng)力松弛一般為位錯(cuò)滑移機(jī)制，可動(dòng)位錯(cuò)的數(shù)目與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力是影響材料抗應(yīng)力松弛穩(wěn)定性能的兩個(gè)主要因素。

自鎖螺母在使用過(guò)程中防止自松脫的原理是通過(guò)對(duì)自鎖螺母圓柱體端部收口，使螺母收口部位的螺紋孔變形，當(dāng)螺栓每擰入到螺母收口部位時(shí)產(chǎn)生干涉配合起到防松作用[6]。由此可見(jiàn)，收口段的變形程度與穩(wěn)定性直接決定其自鎖性能。對(duì)失效托板螺母的檢查發(fā)現(xiàn)，失效件收口呈橢圓形，但長(zhǎng)軸相對(duì)方向各異，收口形態(tài)一致性差。收口形態(tài)的差異將直接影響螺栓擰入后螺母的局部應(yīng)力分布，進(jìn)而改變位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力，應(yīng)力大的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)加劇應(yīng)力松弛也就更為顯著，收口段的回復(fù)變形就越大，產(chǎn)生自鎖失效。

此外，金屬材料的析出相、形態(tài)以及晶粒尺寸等微觀組織直接影響位錯(cuò)的產(chǎn)生與運(yùn)動(dòng)，也就決定了材料的應(yīng)力松弛特性。資料表明，0Cr17Ni5Mo3鋼屬于過(guò)渡型沉淀硬化不銹鋼，其在固溶處理冷至室溫時(shí)組織為奧氏體．經(jīng)調(diào)整處理后馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn)升高至100 ℃以上，此時(shí)淬火冷至室溫已轉(zhuǎn)變相當(dāng)數(shù)量的馬氏體，再經(jīng)冷處理，剩余奧氏體進(jìn)一步轉(zhuǎn)變成馬氏體組織，時(shí)效處理析出的強(qiáng)化相[7]，可見(jiàn)其組織非常復(fù)雜。

此螺母組織有如下特點(diǎn)：1)新螺母流線均沿耳片軸線方向，失效雙耳螺母流線與耳片軸線近乎垂直;2)失效件中表層存在粗大晶粒，而新件晶粒整體均勻細(xì)小，兩者鐵素體形態(tài)也不同;3)表層粗晶層、心部細(xì)晶區(qū)，表層殘余奧氏體含量略高于心部?？梢?jiàn)失效螺母組織形態(tài)具有很大程度的不均勻性，并且從低倍組織判斷該類型托板螺母應(yīng)為鋼帶或板料加工，該工藝具有2種缺點(diǎn)：1)在拉伸后需裝夾圓柱部位進(jìn)行車孔，易裝夾變形導(dǎo)致收口困難，最終導(dǎo)致鎖緊力矩不穩(wěn)定[8]；2)板材由于軋制變形不均勻，容易在沖壓前的軟化退火過(guò)程中形成表層粗大晶粒。而已有研究表明，應(yīng)力松弛過(guò)程中位錯(cuò)的增殖與運(yùn)動(dòng)主要受晶界、馬氏體條邊界和第二相分布影響，晶粒、組織粗大對(duì)抵抗應(yīng)力松弛不利。同時(shí)，失效螺母表層殘余奧氏體含量高，殘余奧氏體組織穩(wěn)定性差，在服役過(guò)程中可能發(fā)生部分轉(zhuǎn)變導(dǎo)致組織體積變化，引起收口段的變形。

綜上所述，托板螺母松弛變形的影響因素復(fù)雜，難以確認(rèn)具體原因。但總體上講，失效螺母的組織均勻性較差，收口形態(tài)、方法差異明顯，即托板螺母的質(zhì)量一致性差，這是導(dǎo)致其個(gè)別出現(xiàn)松弛變形的直接原因。由此建議在自鎖螺母的研制與生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)關(guān)注以下幾點(diǎn)：1)保證材料組織均勻性，重點(diǎn)關(guān)注晶粒度、相結(jié)構(gòu)、變形織構(gòu)等；2)提高螺母收口質(zhì)量一致性，重點(diǎn)關(guān)注收口尺寸、形態(tài)、方位等；3)提高配套螺栓尺寸一致性，重點(diǎn)關(guān)注螺紋牙型、大徑修正等[9]；4)保證選用材料環(huán)境適應(yīng)性與穩(wěn)定性，重點(diǎn)關(guān)注服役應(yīng)力、溫度等條件下組織演變與性能變化。

4 結(jié)論

1)托板螺母自鎖失效屬于金屬材料的松弛變形失效。

2)失效螺母組織均勻性較差、收口形態(tài)一致性差，是導(dǎo)致其個(gè)別出現(xiàn)松弛失效的直接原因。

3)在自鎖螺母的研制生產(chǎn)中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注材料組織均勻性、收口一致性、螺栓尺寸合理性以及環(huán)境組織穩(wěn)定性。