鈦合金高鎖螺栓斷裂原因分析

何 軍,王浩宇,王大為,丁亞紅,李國(guó)慶,朱 苓

[中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,成都 610091]

鈦合金具有高比強(qiáng)度、較寬的工作溫度范圍和優(yōu)異的抗腐蝕能力等特點(diǎn)，在航空航天領(lǐng)域中被廣泛用于制造壓氣機(jī)葉片、盤、機(jī)匣以及緊固類零件[1]。隨著航空技術(shù)的發(fā)展，對(duì)現(xiàn)代飛機(jī)的機(jī)械連接工藝提出了質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、壽命長(zhǎng)、安裝方便等要求。在此背景下研制生產(chǎn)了具有可控預(yù)載荷、自鎖、高疲勞壽命、抗振動(dòng)等特點(diǎn)的鈦合金高鎖螺栓[2]。但是，與結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼和高溫合金零件相比，鈦合金零件對(duì)表面損傷和缺陷具有更大的敏感性，加工、裝配和使用中的任何疏忽，都會(huì)使鈦合金零件的使用性能大受影響，甚至發(fā)生嚴(yán)重的斷裂事故[3-4]。

某鈦合金高鎖螺栓在裝配時(shí)發(fā)生斷裂，斷裂螺栓共2個(gè)，均由同一名操作工人采用相同的裝配方法在同一天裝配時(shí)斷裂。與斷裂螺栓同批次的螺栓，較早前也在同一裝配位置發(fā)生過斷裂現(xiàn)象。筆者對(duì)斷裂螺栓進(jìn)行一系列理化檢驗(yàn)，分析了螺栓斷裂的原因，并給出了相應(yīng)的改進(jìn)建議。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀分析

圖1 斷裂螺栓的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the fractured bolts

2個(gè)斷裂螺栓的宏觀形貌如圖1所示，可見螺栓均斷裂成兩部分，其中1號(hào)螺栓斷裂的純螺紋段已從螺母中脫出，而2號(hào)螺栓斷裂的純螺紋段仍在配套螺母中。2個(gè)螺栓的斷裂部位完全相同，均為第2～3扣螺紋根部。

2個(gè)螺栓斷裂形成的斷口在純螺紋段保存較為完整，其宏觀形貌如圖2所示，可見斷面呈暗灰色，有明顯的斷裂棱線。從斷裂棱線的收斂方向，可以推知斷裂起源于螺紋根部，斷裂源區(qū)對(duì)側(cè)邊緣可見面積較小的剪切唇[4]。另外，2個(gè)螺栓純螺紋段斷口的耦合面上均存在嚴(yán)重的劃傷痕跡，劃痕底部呈現(xiàn)光亮的金屬光澤，說明劃痕是螺栓斷裂后對(duì)斷面保護(hù)不當(dāng)所致，與斷裂原因無關(guān)。

圖2 斷裂螺栓的斷口宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of fracture of the fractured bolts:a) the No。1 bolt; b) the No。2 bolt

1.2 微觀分析

將圖2的斷口經(jīng)超聲波+酒精清洗后置于掃描電鏡下進(jìn)行微觀觀察，如圖3所示。可見斷裂在螺紋根部呈單邊的線性起源，裂紋源區(qū)未見夾渣、氣孔等冶金缺陷和機(jī)械損傷痕跡，斷裂棱線沿直徑方向擴(kuò)展。裂紋源區(qū)的微觀形貌為準(zhǔn)解理+細(xì)小韌窩，如圖4所示。裂紋擴(kuò)展區(qū)和剪切唇區(qū)的微觀形貌均為典型的等軸韌窩，如圖5和圖6所示。

圖3 斷裂螺栓的斷口微觀形貌Fig.3 Micro morphology of fracture of the fractured bolts:a) the No。1 bolt; b) the No。2 bolt

圖4 裂紋源區(qū)的微觀形貌Fig.4 Micro morphology of crack source area:a) the No。1 bolt; b) the No。2 bolt

圖5 裂紋擴(kuò)展區(qū)的微觀形貌Fig.5 Micro morphology of crack growth area:a) the No。1 bolt; b) the No。2 bolt

圖6 剪切唇區(qū)的微觀形貌Fig.6 Micro morphology of shear lip area:a) the No。1 bolt; b) the No。2 bolt

1.3 金相檢驗(yàn)

由于2個(gè)斷裂螺栓的斷裂模式相同，故選取1號(hào)螺栓沿縱向加工制備出金相試樣。1號(hào)螺栓的顯微組織形貌如圖7和圖8所示，可見其頭部和螺紋部位的組織流線均正常，顯微組織未見過熱、表面污染和磨削燒傷跡象，即冶金特性未見異常[5]。另外，斷口附近區(qū)域和螺桿部位的顯微組織基本一致，均為等軸初生α相和晶界處轉(zhuǎn)變?chǔ)孪啵匆婏@著差異。

圖7 1號(hào)斷裂螺栓的低倍顯微組織形貌Fig.7 Low magnification microstructure morphology ofthe No。1 fractured bolt: a) thread; b) screw

圖8 1號(hào)斷裂螺栓的高倍顯微組織形貌Fig.8 High magnification microstructure morphology ofthe No。1 fractured bolt: a) fracture; b) screw

1.4 力學(xué)性能復(fù)查

作為成品采購(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)件，斷裂螺栓需按批次抽樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和雙剪試驗(yàn)，以測(cè)試其抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度。所采用的試驗(yàn)方法分別為GJB 715.23A-2015《緊固件試驗(yàn)方法 拉伸強(qiáng)度》和GJB 715.26A-2015《緊固件試驗(yàn)方法 雙剪》。查閱斷裂螺栓的入廠復(fù)驗(yàn)報(bào)告可知,該批次螺栓分別抽取了5個(gè)螺栓進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和雙剪試驗(yàn)，所測(cè)結(jié)果均高于技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度。

1.5 裝配現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

斷裂螺栓的裝配位置處于單面開口的封閉空間內(nèi)部，僅有的開口面下方還有一處橫梁，使得螺栓裝配的操作空間十分狹小。裝配現(xiàn)場(chǎng)使用的具有定力功能的氣動(dòng)槍體積較大，無法在斷裂螺栓的裝配部位使用。因此，操作工人一般采用普通扳手進(jìn)行裝配，擰斷螺母外沿凸起的施力大小依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行控制。正常裝配時(shí)，扳手的轉(zhuǎn)動(dòng)平面應(yīng)與螺栓軸線垂直，在沒有橫梁阻礙的裝配部位能夠滿足上述要求，該位置的裝配示意圖如圖9所示。但是，斷裂螺栓裝配部位的下方有一處橫梁，限制了扳手的運(yùn)動(dòng)空間，實(shí)際操作時(shí)容易導(dǎo)致扳手的轉(zhuǎn)動(dòng)平面發(fā)生傾轉(zhuǎn)，從而在螺栓上附加彎曲應(yīng)力,該位置的裝配示意圖如圖10所示。

圖9 普通扳手的裝配現(xiàn)場(chǎng)示意圖(無橫梁阻礙)Fig.9 Assembly site diagram of common wrench(no crossbeam obstruction)

圖10 普通扳手的裝配現(xiàn)場(chǎng)示意圖(有橫梁阻礙)Fig.10 Assembly site diagram of common wrench(obstructed by crossbeam)

2 分析與討論

2個(gè)斷裂的螺栓均從第2～3扣螺紋根部發(fā)生斷裂，斷裂源區(qū)呈單邊線性起源，斷裂源區(qū)未見夾渣、氣孔等冶金缺陷和機(jī)械損傷痕跡。斷口的微觀形貌在裂紋源區(qū)為準(zhǔn)解理+細(xì)小韌窩，裂紋擴(kuò)展區(qū)和剪切唇區(qū)均為典型的等軸韌窩，說明螺栓的斷裂性質(zhì)為過載斷裂。

斷裂螺栓的顯微組織未見過熱、表面污染和磨削燒傷跡象，并且斷口附近區(qū)域和螺桿部位的顯微組織基本一致。同時(shí)，復(fù)查該批次螺栓的入廠復(fù)驗(yàn)報(bào)告，其力學(xué)性能(抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度)指標(biāo)均滿足相關(guān)技術(shù)要求。由此可以排除螺栓因材料問題導(dǎo)致過載斷裂的可能性。

螺栓從第2～3扣螺牙根部破壞，主要與螺栓在該處的受力狀態(tài)有關(guān)，特別是螺紋在此處的截面變化引起一定程度的應(yīng)力集中[6-7]。另外，2個(gè)螺栓的斷裂均為單邊線性起源，與受純扭轉(zhuǎn)作用形成的斷口(純扭轉(zhuǎn)斷口的棱線呈螺旋形)有所不同，表明其在斷裂時(shí)承受了一定的彎曲應(yīng)力。經(jīng)裝配現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查了解，斷裂螺栓裝配位置的操作空間狹小，工人在裝配時(shí)無法使用具有定力功能的氣動(dòng)槍進(jìn)行裝配，亦沒有力臂長(zhǎng)度合適的定力扳手能夠伸入操作空間內(nèi)進(jìn)行裝配。因此，工人通常采用普通扳手進(jìn)行裝配，其施力大小依靠操作者的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行控制。正常裝配時(shí)扳手的轉(zhuǎn)動(dòng)平面應(yīng)與螺栓軸線垂直，但受裝配空間所限，實(shí)際操作時(shí)扳手的轉(zhuǎn)動(dòng)平面易發(fā)生傾轉(zhuǎn)，從而在螺栓上形成彎曲應(yīng)力，再加之螺紋部位的應(yīng)力集中效應(yīng)，使得螺栓發(fā)生過載斷裂。

3 結(jié)論及建議

該鈦合金高鎖螺栓的斷裂模式為單邊彎曲應(yīng)力造成的過載斷裂。螺栓的冶金質(zhì)量正常，力學(xué)性能指標(biāo)符合技術(shù)要求，斷裂與原材料本身無關(guān)。

基于對(duì)裝配環(huán)境的調(diào)查，建議改進(jìn)裝配工具，避免裝配時(shí)產(chǎn)生彎曲應(yīng)力。