索鴻飛 唐詩詠 楊國斌
摘要:針對某型裝備電機螺釘斷裂情況,從宏觀和微觀形貌角度進行失效分析。結果表明,斷裂螺釘?shù)某煞旨皺C械性能符合標準,金相組織正常,斷裂的可能原因是潮濕氨引起的應力腐蝕斷裂。
關鍵詞:裝備;螺釘;斷裂;失效分析
Keywords:equipment;screw;fracture;failure analysis
1 概述
電機是某型裝備舵系統(tǒng)的重要組成部分,用于為舵面轉動提供動力。電機電樞外圓與定子上磁鋼內表面之間的間隙為0.8mm,平墊的厚度為0.025~0.35mm,彈墊的厚度為0.5~1mm;彈墊為不銹鋼材料,帶有磁性,掉落在電機內部將吸附在磁鋼表面,電機通電工作的情況下可能造成電樞與定子發(fā)生掃膛,電機工作轉速降低,工作電流增大,電樞繞組溫度升高,嚴重時甚至會導致電樞燒毀,電機停轉,從而使得舵機無法做出正確的姿態(tài)調控,導致裝備異常墜毀。為了摸清螺釘斷裂機理,避免舵系統(tǒng)故障帶來的質量安全隱患,有必要對螺釘斷裂原因進行失效分析。
2 故障分析
2.1 宏觀分析
電機螺釘斷裂如圖1所示,螺釘牌號規(guī)格為GB/T 67-2000 M2×4(H62),與彈簧墊圈、普通墊圈配合使用,固定電刷組件焊片與引出線焊片。斷裂發(fā)生在螺釘頭和螺桿過渡位置根部。宏觀形貌分析表明,墊片一面可見一圈接觸痕跡和輕微塑性變形,如圖2所示;螺釘斷裂發(fā)生在頭部與桿部轉接部位,斷口呈黃銅色,無明顯的塑性變形和剪切唇特征,斷口邊緣存在大量黑色附著物;使用無水乙醇結合超聲波清洗后附著物基本消失,清洗后斷口呈黃銅色,無明顯的顏色差異。
2.2 微觀分析
通過電鏡觀察發(fā)現(xiàn),螺釘斷口清洗前均可見大量附著物,附著物在二次電子圖像中具有荷電效應(呈白亮色),在背散射電子圖像中呈黑色,放大后附著物呈泥狀,如圖3a)所示;螺釘斷口清洗后附著物基本消失,斷口背散射電子圖像顏色均勻,未出現(xiàn)缺陷現(xiàn)象,如圖4a)所示,各區(qū)域均未見明顯的腐蝕產物,如圖4所示;斷口微觀形貌:結晶狀斷口區(qū)均為沿晶加解理形貌,纖維狀斷口區(qū)均以解理為主,斷口未見疲勞特征,如圖3b)、圖3c)和圖4b)、圖4c)所示。
2.3 能譜分析
經能譜分析,螺釘斷口上的附著物主要含C、O元素和少量N、S、Cl腐蝕性元素;清洗前后的斷口的結晶狀區(qū)、纖維狀區(qū)、表面的能譜成分較接近,主要含Cu、Zn、O元素,合金元素含量與H62材料接近。
2.4 金相組織分析
磨制螺釘頭部斷口位置的縱向金相試樣,在斷面位置附近可見少量沿晶和穿晶裂紋,裂紋存在分叉現(xiàn)象,如圖5a所示。開槽位置可見大量流變線,說明螺釘經過沖壓或者擠壓加工,導致α相產生較大形變,晶粒變小、拉長,且β相也沿加工方向分布,如圖5b)所示,因此螺釘頭部與螺桿的過渡位置成為螺釘?shù)谋∪觞c。
2.5 硬度測試
對刻蝕前的斷裂螺釘金相試樣進行維氏硬度測試,平均硬度為221HV(見表1),根據(jù)GB/T 9098.10-1993《緊固件機械性能 有色金屬制造的螺栓、螺釘、螺柱和螺母》,該螺釘?shù)男阅艿燃墳镃U2,最小抗拉強度為440MPa。通過GB 3771-1983《銅合金硬度與強度換算值》進行換算可得,黃銅棒材206HV對應抗拉強度為706MPa,證明該螺釘?shù)男阅艿燃壏蠘藴室蟆?/p>
2.6 綜合分析
螺釘頭斷口呈黃銅色,無明顯的塑性變形和剪切唇特征,清洗后斷口呈黃銅色,無明顯的顏色差異。螺釘配套的墊片發(fā)現(xiàn)接觸痕跡和輕微塑性變形,說明螺釘安裝后存在一定的緊固力。螺釘斷裂發(fā)生在頭部與桿部轉接部位,該位置存在應力集中。微觀形貌表明,結晶狀斷口區(qū)為沿晶加解理形貌,纖維狀斷口區(qū)以解理為主,斷口未見疲勞特征;斷口清洗后,各區(qū)域均未見明顯的腐蝕產物。金相組織分析表明,在斷面位置附近可見少量沿晶和穿晶裂紋,裂紋存在分叉現(xiàn)象。因此,螺釘斷裂的性質為應力腐蝕斷裂。
能譜分析表明,螺釘斷口主要含Cu、Zn、O元素,合金元素含量與H62材料接近,螺釘能譜成分與規(guī)定相符。螺釘基體組織為α+β相,金相組織未見異常。螺釘頭斷口邊緣存在大量黑色附著物,附著物使用無水酒精加超聲波清洗后基本消失;附著物在二次電子圖像中具有荷電效應(呈白亮色)、在背散射電子圖像中呈黑色,放大后附著物呈泥狀;兩個斷口上的附著物均主要含C、O元素和少量N、S、Cl腐蝕性元素,附著物為外來物而非腐蝕產物。斷口清洗后背散射電子圖像顏色均勻,未見缺陷顯示,螺釘斷裂與缺陷無關。螺釘平均硬度為221HV,對應抗拉強度為706MPa,符合標準要求。
此外,黃銅存在季裂現(xiàn)象,原因是潮濕大氣中所含的微量氨在黃銅表面冷凝成氨水溶液層,黃銅受到氨水溶液的腐蝕和自身內部存在的殘余應力的共同作用。黃銅在潮濕氨環(huán)境中的腐蝕產物為基體的氧化物,檢測不到腐蝕性元素,與故障現(xiàn)象較相似。
3 結論
綜上分析,得出以下結論:
1)斷裂的螺釘能譜成分與標準規(guī)定相符,金相組織未見異常;
2)斷裂的螺釘試樣平均硬度為221HV,其性能等級符合標準要求;
3)螺釘斷裂的性質為應力腐蝕斷裂;
4)螺釘應力腐蝕產生的原因可能主要與潮濕氨環(huán)境有關。
作者簡介
索鴻飛,助理工程師,主要從事裝備總體修理技術研究工作。