接頭螺紋磨損分析

劉春江 ， 陳賀賀 ， 黃 超 ， 國(guó) 晨 ， 姜 濤

（1.中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2.航空工業(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，北京10009；5.中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；6.國(guó)營(yíng)蕪湖機(jī)械廠，安徽 蕪湖 241000；7.凌云科技集團(tuán)有限責(zé)任公司，湖北 宜昌 444100）

0 引言

螺紋連接是航空裝備一種常用的結(jié)構(gòu)形式，在使用中由于承受交變載荷、環(huán)境影響、裝配應(yīng)力等作用，容易發(fā)生破壞，常見(jiàn)的破壞形式有開(kāi)裂[1-3]、腐蝕[4]、咬合[5]、拉脫[6]等，螺紋連接的磨損失效也是一種潛在的失效形式[7]。不少學(xué)者研究了螺紋連接結(jié)構(gòu)的微動(dòng)磨損機(jī)理和影響因素。陶峰等[8]通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值分析，研究了螺栓預(yù)緊力矩對(duì)螺紋聯(lián)接件微動(dòng)損傷，結(jié)果表明，螺栓預(yù)緊力矩值通過(guò)改變接觸壓應(yīng)力和微動(dòng)滑移振幅等接觸面間的參數(shù)值影響聯(lián)接件的微動(dòng)損傷程度，并且存在一個(gè)最優(yōu)的預(yù)緊力矩值可使連接件的磨損程度最低，但其研究對(duì)象是螺栓與構(gòu)件的接觸面上，而不是螺紋本身；楊瑞軍等[9]針對(duì)液壓系統(tǒng)管螺紋由于壓力沖擊和振動(dòng)的影響，使其發(fā)生微動(dòng)損傷引起系統(tǒng)的泄漏問(wèn)題，介紹了管螺紋的密封原理、微動(dòng)損傷以及預(yù)防措施。鋁合金由于其密度小、質(zhì)量輕，常作為航空裝備中的接頭材料，蔣小松等[10]綜述了鋁合金材料的微動(dòng)疲勞研究進(jìn)展，介紹了鋁舍金材料的微動(dòng)疲勞、裂紋萌生和擴(kuò)展機(jī)制、影響因素和微觀機(jī)理，并基于上述理解總結(jié)了抗鋁合金微動(dòng)疲勞的表面工程方法和措施。

雖然在螺紋連接結(jié)構(gòu)的失效機(jī)理和影響因素方面已有較系統(tǒng)的研究，但是對(duì)于具體螺紋，其失效問(wèn)題有其特定現(xiàn)象，其影響因素也不是一概而同的。本研究針對(duì)使用中發(fā)生的一起螺紋連接結(jié)構(gòu)失效案例，介紹螺紋磨損的現(xiàn)象，并系統(tǒng)分析螺紋失效原因，該螺紋連接結(jié)構(gòu)是油濾接頭，內(nèi)螺紋為2070 鋁合金，外螺紋為2A70 鋁合金。

1 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

1.1 宏觀觀察

油濾在工作一段時(shí)間后發(fā)生漏油，檢查可知油濾一處接頭內(nèi)、外螺紋均出現(xiàn)磨損、脫出，現(xiàn)場(chǎng)還可見(jiàn)大量磨屑。油濾形貌見(jiàn)圖1，故障接頭對(duì)側(cè)還存在一個(gè)連接狀態(tài)完好的接頭。根據(jù)其裝配狀態(tài)可知通過(guò)旋轉(zhuǎn)六方螺母壓緊內(nèi)螺紋端面，并將密封圈卡在內(nèi)螺紋處靠近端面的內(nèi)壁起密封作用。

圖1 油濾整體形貌Fig.1 Macro morphology of oil filter

通過(guò)LEICA FMS1000 體視顯微鏡對(duì)螺紋的損傷狀態(tài)進(jìn)行觀察。接頭內(nèi)、外螺紋損傷嚴(yán)重，螺紋已基本磨平，圓周方向的損傷程度不同，一側(cè)重，一側(cè)輕，部分螺紋底部可見(jiàn)黑色的堆積物（圖2）。通過(guò)螺紋綜合測(cè)量機(jī)沿豎直平面對(duì)螺紋輪廓進(jìn)行測(cè)量（圖3），可見(jiàn)，內(nèi)、外螺紋螺牙損傷面基本平行，損傷區(qū)均基本位于受力面，測(cè)量結(jié)果顯示外螺紋為三角形螺紋，內(nèi)螺紋為梯形螺紋。連接狀態(tài)完好的接頭內(nèi)、外螺紋均較完好。

圖2 接頭螺紋損傷形貌Fig.2 Damage morphology of joint thread

圖3 內(nèi)、外螺紋輪廓Fig.3 Outline of internal and external thread

由于擰緊力矩直接影響螺紋的接觸應(yīng)力，螺紋損傷嚴(yán)重已無(wú)法通過(guò)對(duì)比螺紋初始損傷狀態(tài)比較2 個(gè)接頭的預(yù)緊力狀態(tài)，但接頭的裝配狀態(tài)表面擰緊力矩會(huì)影響到六方螺母對(duì)內(nèi)螺紋端面的壓緊狀態(tài)，即會(huì)影響接頭端面的形貌和密封圈的壓緊力；因此，通過(guò)LEICA DMS1000 體視顯微鏡對(duì)這2 個(gè)位置進(jìn)行觀察。脫落側(cè)的內(nèi)螺紋端面局部無(wú)接觸痕跡，未脫落端的內(nèi)螺紋端面均存在與六方螺母的接觸痕跡，說(shuō)明未脫落端的六方螺母對(duì)內(nèi)螺紋端面的壓緊力大（圖4）。兩側(cè)的密封圈對(duì)比見(jiàn)圖5，脫落端的密封圈變形程度較小，截面圓度較好，未脫落端的密封圈變形程度較大，局部圓弧面受擠壓呈平面狀，進(jìn)一步說(shuō)明未脫落端的六方螺母對(duì)內(nèi)螺紋端面的壓緊力大。

1.2 微觀觀察

通過(guò)CamScan 3200 掃描電鏡對(duì)螺紋損傷表面進(jìn)行觀察，可見(jiàn)外螺紋磨損面呈麻坑狀和碾壓狀特征，無(wú)明顯的塑性變形，為微動(dòng)磨損形成的微觀形貌（圖6）。通過(guò)EDAX 能譜儀螺紋底部的黑色堆積物進(jìn)行能譜分析，主要是鋁合金的氧化物，是在微動(dòng)磨損過(guò)程中螺紋磨屑氧化形成。

1.3 金相檢驗(yàn)

在接頭螺紋磨損嚴(yán)重一側(cè)，平行于螺紋軸向截取金相試樣，經(jīng)V(HF):V(HCl):V(HNO3):V(H2O)=1:1.5:2.5:95 的腐蝕劑腐蝕，通過(guò)OLYMPUS GX51顯微鏡觀察內(nèi)螺紋和外螺紋截面金相組織，可見(jiàn)，螺牙處與心部組織較均勻，均為α 相固溶體+質(zhì)點(diǎn)相，內(nèi)、外螺紋損傷處組織無(wú)變形，與微動(dòng)磨損引起的現(xiàn)象一致（圖7）。

圖6 螺牙損傷表面形貌Fig.6 Damage morphology of tooth surface

1.4 硬度檢測(cè)

在接頭螺紋磨損嚴(yán)重側(cè)平行螺紋軸向截取試樣，磨制后通過(guò)Wilson UH930 測(cè)試布氏硬度，內(nèi)、外螺紋材料硬度分別為HB 128.8、HB 131.7，螺紋配合硬度匹配性較好。

圖7 螺紋截面金相組織Fig.7 Metallographic microstructure of thread section

1.5 螺紋尺寸計(jì)量

由于脫落端螺紋磨損嚴(yán)重，未脫落端的內(nèi)、外螺紋相對(duì)較完好，選取未脫落端內(nèi)外螺紋，通過(guò)螺紋綜合測(cè)量機(jī)對(duì)其螺紋參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果見(jiàn)表1。外螺紋的大徑、中徑均略小于技術(shù)要求，內(nèi)螺紋的實(shí)測(cè)結(jié)果基本與技術(shù)要求一致。

表1 未脫落端螺紋尺寸測(cè)量結(jié)果Table 1 Measurement results of thread dimension at the non-detached end mm

2 分析與討論

油濾接頭內(nèi)、外螺紋損傷面方向基本平行，均位于受力螺紋面；損傷面微觀形貌呈麻坑狀和碾壓狀特征，無(wú)塑性變形；截面金相顯示損傷區(qū)無(wú)明顯塑性變形；說(shuō)明接頭螺紋是由于磨損引起的損傷，螺牙底部存在Al 的氧化物堆積物，黑色的沉積物一般是微動(dòng)磨損的一種表現(xiàn)形式[8]，因此，分析認(rèn)為接頭螺紋是微動(dòng)磨損引起的失效。

材料組織檢查、硬度檢查結(jié)果均無(wú)異常，分析認(rèn)為油濾回油口螺紋微動(dòng)磨損與材質(zhì)無(wú)關(guān)。

影響螺紋微動(dòng)磨損因素包括接觸壓力、位移幅值、摩擦系數(shù)、溫度、接觸幾何等，對(duì)于油濾的2 個(gè)接頭摩擦系數(shù)、溫度和接觸幾何是相似的，所以主要從接觸壓力和位移幅值2 個(gè)角度進(jìn)行分析。

配合檢查可知，相對(duì)于接頭未脫落端，接頭脫落端的密封圈變形小，說(shuō)明裝配過(guò)程中密封圈受到的擠壓作用力小，即接頭六方螺母的預(yù)緊力相對(duì)較小，同時(shí)接頭脫落端的內(nèi)螺紋端面的接觸痕跡也相對(duì)較輕，進(jìn)一步說(shuō)明油濾接頭脫落端的裝配預(yù)緊力小于接頭未脫落端。預(yù)應(yīng)力小會(huì)引起螺紋配合不緊密，在工作載荷下螺紋配合面發(fā)生滑動(dòng)位移，同時(shí)由于接頭的擺動(dòng)，螺紋配合面的接觸壓力也會(huì)間歇性的發(fā)生變化，接觸壓力和位移幅值的變化導(dǎo)致微動(dòng)磨損的發(fā)生。一般情況下也可以通過(guò)內(nèi)外螺紋旋合后，通過(guò)一定的旋緊力矩使內(nèi)外螺紋本身的材料產(chǎn)生一定的變形來(lái)填補(bǔ)各個(gè)部位的間隙，避免或降低螺紋配合微動(dòng)磨損失效的發(fā)生。

另外，觀察可知，內(nèi)、外螺紋的牙形不同，內(nèi)螺紋為梯形螺紋，外螺紋為三角螺紋。螺紋尺寸計(jì)量結(jié)果顯示螺紋高度約為0.412 mm，不足外螺紋螺牙高度0.876 mm 的一半，一般情況下螺紋的工作高度為0.725 H[11]，即工作高度約為0.635 mm，說(shuō)明實(shí)際工作高度明顯較小。工作高度小則工作面積小，螺紋面的接觸應(yīng)力則較大，如果發(fā)上微動(dòng)磨損，則會(huì)促進(jìn)磨損加速發(fā)展。同時(shí)，螺紋尺寸計(jì)量結(jié)果顯示外螺紋的大徑和中徑均略小于技術(shù)要求范圍，會(huì)進(jìn)一步降低外螺紋的承力能力。

3 結(jié)論

1）油濾回油口接頭螺紋損傷性質(zhì)為微動(dòng)磨損。

2）接頭六方螺母旋緊預(yù)緊力相對(duì)較小引起接頭內(nèi)、外螺紋接觸壓力和位移幅值的變化導(dǎo)致微動(dòng)磨損的發(fā)生。

3）接頭內(nèi)、外螺紋的工作高度較小，引起螺紋接觸應(yīng)力提高，進(jìn)一步加速了微動(dòng)磨損的發(fā)展。