自鎖螺母振動(dòng)失效原因分析及預(yù)防

徐家強(qiáng)，付建建，李旭健，許永春，王立俊，李新淼，屈明亮

1.河南航天精工制造有限公司研究所 河南信陽(yáng) 464000

2.河南省緊固連接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南信陽(yáng) 464000

1 序言

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)、制造、使用及維護(hù)過(guò)程中，螺紋聯(lián)接的安全和防松問(wèn)題日益突出，自鎖螺母特別是高溫自鎖螺母因其可靠的抗振防松、可重復(fù)使用功能成為航空業(yè)應(yīng)用最為廣泛的螺紋聯(lián)接件[1]。 自鎖螺母利用非圓形收口在螺母擰緊以后，收口處脹開(kāi)，利用收口的回彈力使得旋合螺紋相互壓緊，產(chǎn)生鎖緊力矩，起到聯(lián)接防松的作用。高溫合金尤其是GH2132以其良好的高溫強(qiáng)度和抗氧化、抗腐蝕性能，優(yōu)異的抗疲勞和抗蠕變性能，以及極佳的斷裂性能和組織穩(wěn)定性，成為現(xiàn)代國(guó)防建設(shè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中不可替代的關(guān)鍵材料[2]。

以往關(guān)于自鎖螺母研究大多集中在材料相關(guān)性能的探究，對(duì)其制造件失效的研究甚少，尤其對(duì)自鎖螺母失效案例報(bào)道極少[3，4]。本研究以某自鎖螺母在振動(dòng)試驗(yàn)中收口處開(kāi)裂為研究對(duì)象，采用體視檢查、斷口微觀分析、能譜分析、金相組織分析及顯微硬度檢測(cè)等方法，確定了自鎖螺母裂紋產(chǎn)生的原因，并提出了相應(yīng)的預(yù)防措施。

2 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

2.1 外觀檢查及微觀分析

（1）外觀檢查 對(duì)自鎖螺母振動(dòng)失效件采用體視顯微鏡外觀檢查發(fā)現(xiàn)，收口部位裂紋分布具有較強(qiáng)的規(guī)律性：裂紋均出現(xiàn)在短軸的收口部位并貫穿至內(nèi)螺紋；裂紋呈細(xì)直線狀，起始于直口頂端并沿著軸向擴(kuò)展。如圖1所示。

圖1 裂紋在收口處外表面形態(tài)

（2）微觀分析 將打斷之后的樣件采用金相觀察發(fā)現(xiàn)，裂紋起始于內(nèi)螺紋牙底，并向外側(cè)擴(kuò)展（見(jiàn)圖2）。采用電鏡掃描發(fā)現(xiàn)螺紋牙底附近組織呈疏松塊狀，源區(qū)及擴(kuò)展區(qū)可見(jiàn)明顯的疲勞弧線，斷面上出現(xiàn)晶間開(kāi)裂和解理特征，且斷面上未見(jiàn)材質(zhì)缺陷（見(jiàn)圖3）。

圖2 螺紋牙底裂紋金相

圖3 螺紋牙底電鏡掃描形態(tài)

2.2 能譜成分分析

對(duì)裂紋區(qū)域和人工打斷區(qū)進(jìn)行能譜成分分析，結(jié)果如圖4所示。裂紋區(qū)除了存在基體材料的主要元素外，還存在大量的Ag元素，圖3中的A區(qū)域螺紋牙底存在大量Ag元素。

2.3 顯微硬度檢測(cè)

分別對(duì)打斷樣件的收口裂紋處及非收口部位由表及里直至螺紋牙底進(jìn)行顯微硬度分析，距表面不同距離處的顯微硬度變化曲線如圖5所示。其中產(chǎn)品正常硬度范圍為281~357HV，由硬度曲線可看出，非收口部位硬度值正常，收口處顯微硬度值明顯高于非收口部位。對(duì)于收口部位而言，距離內(nèi)外表面0.4mm內(nèi)的顯微硬度明顯高于心部硬度值。

2.4 金相組織分析

如圖6、圖7所示，自鎖螺母的微觀組織無(wú)過(guò)熱、過(guò)燒現(xiàn)象，晶粒大小均勻，無(wú)粗晶或細(xì)晶帶狀組織。另外，組織中非金屬夾雜物正常，無(wú)超過(guò)材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的雜質(zhì)。

圖4 裂紋區(qū)域能譜成分分析

圖5 顯微硬度測(cè)量曲線

圖6 螺母金相組織

圖7 螺母金相非金屬夾雜物

3 裂紋成因分析

3.1 材質(zhì)及熱處理分析

對(duì)螺母的金相組織及非金屬夾雜物分析表明，材料的組織無(wú)過(guò)熱、過(guò)燒現(xiàn)象，晶粒大小均勻，無(wú)粗晶或細(xì)晶帶狀組織。非收口部位顯微硬度也符合相關(guān)技術(shù)條件要求。同時(shí)，螺母斷口處未發(fā)現(xiàn)材質(zhì)缺陷，即此次螺母失效與產(chǎn)品的材質(zhì)及冶金質(zhì)量無(wú)直接關(guān)系。

3.2 裂紋性質(zhì)及形成時(shí)間分析

通過(guò)對(duì)裂紋區(qū)的斷口分析可知，裂紋由螺紋牙底萌生，裂紋微觀形貌為明顯的疲勞條帶、纖維狀，斷面上出現(xiàn)晶間開(kāi)裂和解理特征，可以判斷出裂紋的性質(zhì)為疲勞斷裂。

人工打斷區(qū)螺紋牙底附近顏色較深，與其他區(qū)域明顯不同，能譜分析表明裂紋區(qū)域除基體主要元素外，還存在大量的Ag元素。結(jié)合自鎖螺母的主要加工工序（無(wú)心磨→下料→普通車加工→熱鐓→噴砂→固溶→普通車加工→攻螺紋→數(shù)控車加工→收口→時(shí)效→熒光檢測(cè)→噴砂→鍍銀→終檢）可以判斷出Ag元素來(lái)自于表面處理工序，即微裂紋在鍍銀之前已經(jīng)產(chǎn)生。

從螺母的裂紋形成部位分析，裂紋均出現(xiàn)在短軸的收口部位并貫穿至內(nèi)螺紋。同時(shí)，裂紋呈細(xì)直線狀，起始于直口頂端并沿著軸向擴(kuò)展。另外，顯微硬度分析表明：收口處顯微硬度明顯高于非收口部位。特別是收口部位內(nèi)外表面0.4mm內(nèi)的顯微硬度明顯高于心部硬度。這是因?yàn)樵谑湛跁r(shí)長(zhǎng)軸外表面受拉應(yīng)力同時(shí)短軸內(nèi)表面也受拉應(yīng)力，再加上收口處螺紋牙底相對(duì)尖銳，易形成應(yīng)力集中而產(chǎn)生微裂紋，經(jīng)過(guò)振動(dòng)試驗(yàn)，微裂紋發(fā)生擴(kuò)展，最終出現(xiàn)疲勞斷裂。因此，可以判斷出微裂紋是在收口工序產(chǎn)生的。

4 結(jié)論及預(yù)防措施

1）高溫合金自鎖螺母裂紋是在表面時(shí)效處理工序之前的收口工序產(chǎn)生的。因自鎖螺母采用數(shù)控收口機(jī)進(jìn)行兩點(diǎn)收口，螺母直口變形部位單位面積受力較大，再加上螺母壁厚較薄，螺紋牙底相對(duì)尖銳，易出現(xiàn)應(yīng)力集中，致使收口之后形成微裂紋。

2）預(yù)防自鎖螺母收口產(chǎn)生裂紋的措施是改變收口方式，由兩點(diǎn)收口改為橢圓收口，對(duì)螺母外圓進(jìn)行包裹式整體擠壓，避免局部出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中。另外，適當(dāng)增加螺母收口處外圓直徑，即增加螺母壁厚。通過(guò)此種工藝改進(jìn)，螺母裂紋故障得到了有效消除。