ML25雙耳托板螺釘斷裂分析及工藝研究

孫君武，鄭高峰，殷銀銀，胡慶寬，孫曉軍，沈 鵬

（1.河南航天精工制造有限公司，河南省緊固連接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 信陽 464000；2.空軍裝備部駐鄭州地區(qū)軍事代表室，河南 鄭州 450000）

由ML25材料制造的雙耳托板螺釘與常規(guī)螺釘相比，頭形特殊，具有重量輕、體積小、裝配效率高等特點(diǎn)，同時(shí)具有很高的連接可靠性。產(chǎn)品裝配在飛機(jī)基體上采用的是鉚接方式，由于產(chǎn)品性能要求為抗拉強(qiáng)度和破壞拉力，但是，在安裝使用過程中可能會受到斜向應(yīng)力的影響，這種情況下，對產(chǎn)品的性能要求會高于標(biāo)準(zhǔn)要求，頭桿結(jié)合部位受斜向應(yīng)力時(shí)可能發(fā)生斷裂，其余產(chǎn)品從螺釘外表面無法識別，不能確定產(chǎn)品的安裝可靠性。因此，對于頭桿結(jié)合部位斷裂，加工過程無法進(jìn)行識別，存在較大的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。本文通過對ML25雙耳托板螺釘?shù)陌惭b斷裂故障件進(jìn)行裂紋斷口分析、金相組織檢測、維氏硬度試驗(yàn)，并結(jié)合ML25雙耳托板螺釘?shù)闹圃旃に嚵鞒?，對斷裂的產(chǎn)生進(jìn)行了細(xì)致的分析研究，找到了原因，并提出了有效的解決改進(jìn)措施，進(jìn)一步完善了制造工藝。

1 問題分析

1.1 斷口分析

選取故障件螺釘，斷裂實(shí)物圖如圖1所示，對斷口進(jìn)行掃描電鏡分析。采用低倍放大鏡和高倍顯微鏡觀察斷口宏觀和微觀形貌，斷裂部位為螺釘頭下R根部，斷口粗糙，呈皿狀，斷口無氧化、腐蝕色彩，裂紋由邊緣向心部擴(kuò)展。圖2顯示了斷裂件斷口微觀形貌，裂紋源位于螺釘外表面處，源區(qū)為準(zhǔn)解理特征[1]，局部呈解理形貌；擴(kuò)展區(qū)為準(zhǔn)解理特征；瞬斷區(qū)邊緣存在少量韌窩。斷口基本上無宏觀塑性變形，呈脆性特征，這表明托板螺釘受到斜向拉力作用下，在受力一側(cè)R處受到橫向剪切力先產(chǎn)生斷裂。通過對斷裂螺釘斷口分析，斷口呈準(zhǔn)解理形貌，僅在瞬斷區(qū)邊緣有少量的韌窩。

圖1 故障件螺釘斷裂實(shí)物圖

圖2 斷口微觀形貌

1.2 金相組織和硬度分析

將斷裂螺釘桿部及斷裂部位制樣進(jìn)行金相檢測，組織為拉長的鐵素體和珠光體，與原材料組織保持一致。顯微組織正常，未在斷裂螺釘內(nèi)部和變形區(qū)域內(nèi)發(fā)現(xiàn)典型金相和組織缺陷。

托板內(nèi)部流線連續(xù)，沿頭部輪廓流向，未見切斷痕跡。由于產(chǎn)品頭形特殊，托板厚度薄且截面積大，冷鐓成形時(shí)，頭部在軸向受到壓縮，冷拔時(shí)的晶粒在拉長的方向發(fā)生改變，隨著塑性變形量的增大，其晶粒沿變形方向逐漸伸長，變形程度越大，則伸長也越顯著；當(dāng)變形量過大時(shí)，其組織呈纖維狀，流線密集，流線最大密集處形態(tài)如圖3所示，沿著纖維的方向，材料的抗拉強(qiáng)度及韌性高，而抗剪強(qiáng)度低。因此螺釘在受斜向應(yīng)力時(shí)，可能沿纖維組織方向斷裂，圖示的流線最大密集處形態(tài)和斷裂螺釘斷口形貌一致。

圖3 流線最大密集處形態(tài)

由于纖維組織的影響，頭桿結(jié)合部位應(yīng)力集中，使螺釘頭桿結(jié)合強(qiáng)度降低。纖維組織的出現(xiàn)，會引起螺釘變形區(qū)硬度的差異，進(jìn)行維氏硬度檢測后，發(fā)現(xiàn)桿部為209HV，流線最大密集處為287HV，頭部上端面為243HV，這表明變形程度越大，硬度越高。

1.3 加工過程分析

為了查找在加工過程中引起斷裂產(chǎn)生的工序，對加工過程中各工序進(jìn)行了驗(yàn)證和分析。ML25雙耳托板螺釘?shù)闹饕圃炻肪€為：備料—冷鐓—去應(yīng)力退火—機(jī)加工—磁粉探傷—表面處理。

材料購入后，按原材料標(biāo)準(zhǔn)要求對其機(jī)械性能、化學(xué)成分、尺寸、外觀等進(jìn)行了入廠復(fù)驗(yàn)，復(fù)驗(yàn)結(jié)果符合原材料驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)中的“第4條尺寸、外形，第5.1條化學(xué)成分，第5.2條力學(xué)性能”等要求。其次，采用特殊手段對原材料進(jìn)行檢測，未發(fā)現(xiàn)原材料內(nèi)部有缺陷。采用多批次原材料進(jìn)行加工，則部分螺釘在斜向應(yīng)力作用下，頭桿結(jié)合部位依然會出現(xiàn)斷裂。

因此，可以斷定ML25雙耳托板螺釘頭桿結(jié)合部位的斷裂不是由原材料引起的，是在加工過程中產(chǎn)生的。產(chǎn)品的頭部是由冷鐓成形，托板頭部變形量大，形成纖維組織，頭桿結(jié)合部位應(yīng)力集中，是產(chǎn)品受斜向應(yīng)力產(chǎn)生斷裂的根本原因，此處不再贅述。冷鐓后去應(yīng)力退火，退火溫度為350℃，由于溫度較低，處理后纖維組織依然存在。冷鐓桿部鐓制通桿，單邊機(jī)加工切削量超過1mm，頭桿結(jié)合部位流線切斷。流線的切斷，削弱了頭桿結(jié)合強(qiáng)度，可能形成結(jié)構(gòu)薄弱處。因此，可以推斷斷裂是由托板冷鐓成形時(shí)引起的，安裝時(shí)受斜向應(yīng)力發(fā)生斷裂。通過對原材料、冷鐓、去應(yīng)力退火、機(jī)加工等工序的分析，可以推斷螺釘頭桿結(jié)合部位的斷裂由冷鐓托板形成的應(yīng)力集中引起的。

2 方案分析及驗(yàn)證

對故障件螺釘原材料進(jìn)行分析，未發(fā)現(xiàn)原材料組織及成分有異常。此外，在斷口上未發(fā)現(xiàn)材質(zhì)缺陷，故可以推斷螺釘斷裂與材料的冶金質(zhì)量無直接關(guān)系。通過對加工過程各工序進(jìn)行分析和驗(yàn)證，可以推斷螺釘斷裂是由冷鐓工序引起的。

應(yīng)力集中是在冷鐓成形時(shí)，變形量大引起的。產(chǎn)品性能等級要求為σb=590MPa～735MPa，結(jié)合產(chǎn)品性能，參考HB/Z136，可以對產(chǎn)品進(jìn)行淬火回火處理。與斷裂件分析結(jié)果一致的數(shù)十批次產(chǎn)品進(jìn)行淬火回火處理后，進(jìn)行金相組織檢測和維氏硬度試驗(yàn)，組織狀態(tài)均勻一致，托板靠近R處無流線密集，未見纖維組織，說明應(yīng)力集中已經(jīng)消除。桿部、流線最大密集處及頭部端面的維氏硬度分別為237HV、237HV及239HV，硬度均勻，受斜向應(yīng)力作用下的破壞拉力符合相關(guān)技術(shù)條件要求。

驗(yàn)證表明，冷鐓成形托板時(shí)，形成的應(yīng)力集中是ML25雙耳托板螺釘受斜向應(yīng)力發(fā)生斷裂的根本原因。

為提高螺釘?shù)馁|(zhì)量穩(wěn)定性及使用可靠性，進(jìn)一步優(yōu)化產(chǎn)品加工流程，防止應(yīng)力集中的形成，這就需要一種適宜大變形量加工的組織狀態(tài)，細(xì)化晶粒。因此，采取在產(chǎn)品預(yù)鐓后，即托板成形前進(jìn)行高溫退火處理，來改善材料的組織和性能，均勻鋼的化學(xué)成分及組織，細(xì)化晶粒，消除內(nèi)應(yīng)力，提高塑性，便于冷變形加工。高溫退火后冷鐓頭部，避免了纖維組織，從根源上避免了應(yīng)力集中的形成。

頭桿結(jié)合部位流線切斷，雖然削弱了頭桿結(jié)合強(qiáng)度，可能形成結(jié)構(gòu)薄弱處，但并不是螺釘受斜向應(yīng)力斷裂的原因。為更好的優(yōu)化產(chǎn)品加工過程，冷鐓成形頭部采用接近產(chǎn)品頭部輪廓的成形形狀，減小頭部變形量，桿部采用強(qiáng)縮徑避免頭桿結(jié)合部位的切削加工，合理有效的進(jìn)行加工，同時(shí)進(jìn)一步的避免了應(yīng)力密集的產(chǎn)生。

3 解決措施

通過對斷裂產(chǎn)生的原因分析可以推斷出：

改善托板成形前預(yù)鐓組織狀態(tài)和減小頭部變形量能夠解決螺釘?shù)臄嗔压收?；桿部強(qiáng)縮成形，避免頭桿結(jié)合部位機(jī)加工可以進(jìn)一步增加螺釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)強(qiáng)度。由于產(chǎn)品托板為橢圓形，因此冷鐓后的頭部結(jié)構(gòu)可以調(diào)整為橢圓形，減小產(chǎn)品的頭部變形量。

因此，針對ML25雙耳托板螺釘在安裝過程中斷裂的故障，課題組采用桿部強(qiáng)縮徑確保頭桿結(jié)合部位流線連續(xù)，對冷鐓前的預(yù)鐓進(jìn)行高溫退火改善其組織狀態(tài)的方案。

ML25材料進(jìn)行高溫退火將原始拉長的鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S形態(tài)的均勻珠光體組織，達(dá)到材料塑性增加，利于托板大變形量的加工目的。托板成形后未發(fā)現(xiàn)應(yīng)力集中，再進(jìn)行淬火回火處理，產(chǎn)品高溫退火產(chǎn)生的珠光體及鐓壓產(chǎn)生的變形組織可以轉(zhuǎn)變?yōu)榻M織均勻的回火索氏體，最終實(shí)現(xiàn)材料強(qiáng)化，滿足產(chǎn)品性能。

通過對ML25雙耳托板螺釘工藝進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的工藝路線為：備料—預(yù)鐓—高溫退火—終鐓—淬火回火—滲透探傷—表面處理。采用改進(jìn)后的工藝路線加工ML25雙耳托板螺釘，螺釘?shù)念^桿結(jié)合部位斷裂得到了排除。最終性能檢測結(jié)果也表明：工藝改進(jìn)后ML25雙耳托板螺釘?shù)慕鹣嘟M織、性能均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及使用要求。

4 結(jié)論

（1）通過對螺釘斷裂件進(jìn)行斷口分析、組織檢測，以及加工中原材料組織、頭部變形量進(jìn)行分析和驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)雙耳托板螺釘在冷鐓工序中由于頭部變形量大形成的應(yīng)力集中，低溫退火無法消除，是安裝過程中受斜向應(yīng)力發(fā)生斷裂的根本原因。

（2）解決ML25雙耳托板螺釘應(yīng)力集中的措施是對螺釘預(yù)鐓坯料進(jìn)行高溫退火處理，改善組織狀態(tài)，細(xì)化晶粒，得到適宜大變形量加工的組織。

（3）通過對ML25雙耳托板螺釘工藝進(jìn)行研究和優(yōu)化，在頭部預(yù)鐓后增加高溫退火工序，頭部成形后增加淬火回火工序，ML25雙耳托板螺釘應(yīng)力集中得到了有效的排除，同時(shí)滿足產(chǎn)品相關(guān)技術(shù)條件及安裝使用要求。