7075-T73鋁合金高鎖螺母斷裂原因

何 軍, 李鈞甫, 丁亞紅, 羅 慶, 譚 瑤, 李夏雯

(航空工業(yè)成都飛機工業(yè)(集團)有限責任公司， 成都 610091)

7075鋁合金是最早用于航空工業(yè)且至今仍被廣泛使用的一種超高強度鋁合金。該類合金屬于Al-Zn-Mg-Cu系的可熱處理合金，以鋅為主要合金元素，因鋅元素在鋁合金中有較高的固溶度，使得鋁合金經(jīng)固溶時效后可獲得較高的強度。7075鋁合金常用的熱處理狀態(tài)有T6，T73，T76和T74，與T6工藝比較，T73作為一種過時效熱處理工藝，可使經(jīng)過時效后的合金具有較高的斷裂韌度和優(yōu)良的耐應力腐蝕及耐剝落腐蝕性能，可滿足航空制造的要求，因此T73狀態(tài)7075鋁合金被廣泛用于制造對強度和耐腐蝕性能要求較高的零件，如飛機結構中的重要承力件(翼梁、隔框、長鎖螺母、高鎖螺母)等[1-2]。

某批7075-T73鋁合金高鎖螺母在裝配時，共計3 521件中有5件發(fā)生斷裂，且斷裂形式一致，其裝配示意圖如圖1所示。正常裝配時，螺母六方扳擰面在螺母體擰緊且達到安裝力矩時會在斷頸槽處自動斷裂并脫落，此時螺母承載面與螺栓頭下承載面夾緊且達到預緊力，完成裝配。該批斷裂事故發(fā)生在高鎖螺母裝配時，六方扳擰面尚未擰斷，螺母體即發(fā)生了沿縱向的斷裂，且六方扳擰面出現(xiàn)肉眼可見的縱向裂紋，如圖2所示。

該零件由根據(jù)美標SAE AMS-QQ-A-225-9A：2014AluminumAlloy7075,Bar,Rod,Wire,andSpecialShapes;Rolled,Drawn,orColdFinished采購的7075棒料加工而成，狀態(tài)為T73，無需熱處理。其主要工藝流程為：車銑→分光檢測→收口→挑選→清洗→熒光檢測→清洗→陽極化→涂十六醇→挑選→終檢，其中有色陽極化會使零件表面呈均勻的

圖1 高鎖螺母裝配示意圖Fig.1 Assembly diagram of high lock nut: a) before nut tightening; b) after nut installation

圖2 高鎖螺母斷裂示意圖Fig.2 Fracture diagram of high lock nut

綠色；根據(jù)螺母技術規(guī)范的要求，經(jīng)抽樣進行力學性能測試(預緊力、擰緊力矩、鎖緊力矩、松脫力矩、抗拉強度)、金相檢驗(晶間腐蝕、微觀組織)、不連續(xù)性試驗(熒光探傷)等檢驗合格后交付裝配使用。

為找到高鎖螺母斷裂的原因，消除質量隱患，筆者對斷裂件進行了理化檢驗和分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

在體視顯微鏡下觀察斷裂高鎖螺母的宏觀形貌，如圖3所示?？梢娐菽阁w完全沿縱向斷裂，斷口平整，無明顯起伏和塑性變形，斷口無肉眼可見的缺陷和疲勞弧線，斷口整體沿流線方向呈氧化色，未觀察到表面綠色陽極化層滲入的情況，如圖3a)所示；六方扳擰面上可見縱向貫穿性裂紋，未完全斷開，如圖3b)所示。

圖3 斷裂高鎖螺母的宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of broken high lock nut: a) overall morphology of broken nut; b) morphology of crack on hexagon wrench face

1.2 掃描電鏡分析

將螺母斷口經(jīng)酒精+超聲波清洗后，在掃描電鏡(SEM)下觀察圖3a)中左側斷口，低倍下SEM形貌如圖4所示?？梢娋植啃迈r有金屬光澤,沿流線呈氧化色,未見明顯綠色陽極化層滲入。放大觀察發(fā)現(xiàn)在螺母體的內表面、心部和外表面斷口大部分位置存在導電性較弱的白色物質，呈龜裂形貌，其余為韌窩形貌，如圖5所示。

圖4 低倍下螺母斷口整體SEM形貌Fig.4 SEM morphology of the whole fracture of nut at low magnification

圖5 高倍下螺母斷口SEM形貌Fig.5 SEM morphology of nut fracture at high magnification: a) morphology of non-conductive substance and craze; b) morphology of local dimples

1.3 金相檢驗

以軸向橫截面為觀察面，在斷裂螺母上取金相試樣并進行鑲嵌，按照GB/T 3246.1-2012《變形鋁及鋁合金制品組織檢驗方法 第1部分：顯微組織檢驗方法》的技術要求，使用混合酸(HF，HCl，HNO3，H2O的加入量分別為1，1.5，2.5，95 mL)浸蝕15 s后在光學顯微鏡下觀察，其顯微組織形貌如圖6所示?？梢姅嗫诘拇瓮獗砻娲嬖诓灰?guī)則的黑色夾雜物，參考GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》的評定方法對夾雜物等級進行評定，結果大于B3e，超出該標準要求的范圍。

圖6 螺母斷口附近的顯微組織形貌Fig.6 Microstructure morphology near nut fracture: a) low multiple; b) high multiple

同樣以軸向橫截面為觀察面,制備開裂六方扳擰面金相試樣，經(jīng)混合酸浸蝕15 s后在光學顯微鏡下觀察，可見裂紋附近存在貫穿橫截面的長條形黑色夾雜物，放大后呈典型的鏈狀不連續(xù)形貌，如圖7所示。對黑色夾雜物進行評級，結果同樣大于B3e，超出GB/T 10561-2005要求的范圍。此外，試樣上除主裂紋外，均未見由表面向內部沿晶界擴展的二次裂紋；組織正常，未見過燒形貌。

圖7 六方扳擰面裂紋附近的夾雜物形貌Fig.7 Inclusions morphology near the crack of hexagon wrench face: a) low multiple; b) high multiple

另取一個裝配未斷裂件和一個斷裂件的六方扳擰面，按GB/T 7998-2005《鋁合金晶間腐蝕測定方法》，用溶液(NaCl,H2O2和蒸餾水(或去離子水)的加入量分別為57 g，10 mL，1 L)浸蝕6 h后磨制金相試樣，觀察其顯微組織，可知均無晶間腐蝕現(xiàn)象。

1.4 能譜分析

使用掃描電鏡附帶的能譜儀對螺母斷口進行能譜(EDS)分析，分析位置如圖5所示，分析結果如表1所示?？芍^(qū)域主要含有鋅、鎂和銅元素，為正常的7系列鋁合金；龜裂區(qū)域以及白色物質則含有較

表1 螺母斷口能譜分析結果(質量分數(shù))Tab.1 EDS analysis results of nut fracture (mass fraction) %

高含量的氧元素以及少量的鉀、鈉、硫和氯元素。

對六方扳擰面金相試樣的正常位置和黑色夾雜物分別進行能譜分析，分析位置及結果如圖8所示，可知黑色夾雜物元素含量及種類與龜裂區(qū)域的基本一致，均有較高含量的氧元素及少量的鉀和氯等元素。

圖8 六方扳擰面金相試樣EDS分析位置和分析結果Fig.8 EDS analysis positions and results of metallographic sample of hexagon wrench face: a) analysis position and b) results of normal position; c) analysis position and d) results of black inclusion

1.5 庫存件復查

對供貨廠家的庫存件進行100%熒光滲透檢測，發(fā)現(xiàn)部分零件有夾雜物缺陷，缺陷沿軸向呈線性貫穿高鎖螺母，如圖9所示。帶缺陷的高鎖螺母經(jīng)裝配后，在螺母體縱向斷裂，如圖10所示。金相檢驗發(fā)現(xiàn)其微觀形貌與上述斷裂件的一致，如圖11所示。而無缺陷顯示正常件的安裝斷裂形式為斷頸槽處自動斷裂并脫落，是正常的安裝斷裂，如圖12所示。

圖9 庫存件熒光滲透檢測的缺陷顯示形貌Fig.9 Defect display morphology of inventory parts by fluorescent penetrant testing

圖10 缺陷螺母裝配斷裂形貌Fig.10 Assembly fracture morphology of defective nut

圖11 缺陷螺母裂紋附近的微觀形貌Fig.11 Morphology near the crack of defective nut

圖12 無缺陷顯示庫存件的裝配斷裂形貌Fig.12 Assembly fracture morphology of inventory parts without defects

2 分析與討論

常見鋁合金的斷裂模式包括疲勞斷裂、大應力過載斷裂、應力腐蝕斷裂等[3-8]，不同的斷裂模式有對應的斷裂特征。

通過對高鎖螺母的宏觀觀察發(fā)現(xiàn)斷口局部新鮮有金屬光澤,主要沿流線呈氧化色。斷裂件斷口的微觀組織中未見沿晶開裂形貌，且是在裝配過程中發(fā)生的斷裂，可排除零件過燒導致強度等力學性能降低的因素，也可排除疲勞斷裂的可能性。7075-T73鋁合金強度高，有較高的應力腐蝕敏感性。鋁合金產(chǎn)生應力腐蝕開裂是拉應力和腐蝕性環(huán)境共同作用的，開裂通常會在使用一定時間后才會產(chǎn)生[9]。由于高鎖螺母的安裝環(huán)境沒有腐蝕性介質，結合金相檢驗的結果也可以排除應力腐蝕導致高鎖螺母斷裂的可能性。

分析正常高鎖螺母裝配時的受力情況，可知零件正常裝配過程中是在螺母斷頸槽處斷裂，六方扳擰面部分脫落，且螺母體與其相配合的螺栓緊固在被安裝位置。而斷裂螺母是在斷頸槽未擰斷的情況下發(fā)生縱向斷裂，且在六方扳擰面上看到貫穿性裂紋，同時根據(jù)庫存件的復查結果，可知部分零件有缺陷熒光顯示，安裝時發(fā)生非正?？v向斷裂，且缺陷顯示件與裝配斷裂件的斷裂模式及微觀形貌一致。因此判斷該斷裂非安裝人員操作不當造成。

SEM分析發(fā)現(xiàn)螺母體斷口的內、外表面及心部位置均存在白色不導電物質，呈龜裂形貌，在金相檢驗中觀察到裂紋附近有黑色夾雜物，對零件斷裂面的龜裂形貌和金相試樣中的黑色夾雜物進行能譜分析，分析結果一致，均為鋁合金氧化物。鋁合金氧化物夾雜破壞了材料的連續(xù)性，在外載荷作用下，降低了材料的力學性能，而材料抵抗變形能力的差異會在兩相界面處產(chǎn)生應力集中，發(fā)展成為裂紋源，導致在正常裝配過程中發(fā)生過載開裂。斷裂面未發(fā)現(xiàn)有綠色陽極化層滲入，說明高鎖螺母的裂紋是在陽極化之后產(chǎn)生的。

根據(jù)文獻[10]可知，鋁合金熔體中常見的固態(tài)夾雜物主要是非金屬物，包括氧化物、碳化物、氮化物、硼化物等。其中常見的氧化物為Al2O3和MgO，常見的氮化物為AlN，常見的硼化物為TiB2和AlB2，常見的碳化物為Al4C3，根據(jù)它們的生成熱可知Al2O3夾雜是最容易形成的[10]。根據(jù)能譜分析結果可知斷裂高鎖螺母夾雜物的成分主要是氧元素，由此可判斷該夾雜物為Al2O3。金屬鑄件凝固時夾雜物會在鑄件最后的凝固部位聚集，在棒料切尾不足的情況下經(jīng)后續(xù)拉拔會沿拉拔方向呈片狀殘留在棒料尾部，如果不能及時發(fā)現(xiàn)，就易導致后續(xù)使用過程中零件失效。

通常對鋁合金的缺陷檢驗方法有低倍檢驗和超聲波檢驗等，這些方法都可以有效檢測出鋁合金中的夾雜物缺陷。高鎖螺母產(chǎn)品出廠無損檢測的熒光滲透方法也是有效檢驗表面裂紋缺陷的手段。但上述故障產(chǎn)品已流通到使用方，并對使用方整體產(chǎn)品的質量造成了影響。

據(jù)進一步了解，判斷可能存在因該批產(chǎn)品數(shù)量多，在出廠前的熒光滲透無損檢測環(huán)節(jié)出現(xiàn)了漏檢情況。

3 結論及建議

高鎖螺母裝配斷裂原因為原材料中存在氧化鋁夾雜，在后續(xù)拉拔過程中沿拉拔方向呈片狀分布，破壞了原材料的連續(xù)性，在外載荷的作用下，會在兩相界面處產(chǎn)生應力集中，形成裂紋源，導致產(chǎn)品在安裝時發(fā)生斷裂，與產(chǎn)品制造工藝無關。

建議對原材料棒料進行超聲波檢驗，以便識別出夾雜物缺陷。同時嚴格按照熒光滲透方法進行出廠無損檢測。必要時，標準件制造廠家可在生產(chǎn)制造及產(chǎn)品檢驗中增加適當?shù)谋O(jiān)控手段和措施，嚴格保證檢驗質量，確保產(chǎn)品不會因各種原因發(fā)生漏檢。