某型飛機(jī)35CrMnSiA緊固螺釘斷裂失效分析

王春凈，許永春，趙常振

(1.空軍工程大學(xué)航空機(jī)務(wù)士官學(xué)校，河南信陽，464000；2.河南航天精工制造有限公司，河南信陽，464000)

35CrMnSiA是一種中合金結(jié)構(gòu)鋼,這種材料經(jīng)過合理的熱處理后可以獲得優(yōu)異的綜合力學(xué)性能,同時(shí)又具有較好的韌性、淬透性、焊接性及加工性等[1],是一種性能優(yōu)良、應(yīng)用廣泛的結(jié)構(gòu)用鋼。但是該材料耐蝕性能和抗氧化性能較差，工作溫度往往不超過200 ℃，因此，35CrMnSiA通常用于制造工作溫度不高的中速、重載、高強(qiáng)度、高韌性零構(gòu)件。在航空領(lǐng)域，其在起落架、齒輪、軸、軸套、螺栓、螺母等重要零件上得到廣泛應(yīng)用[2]。

飛機(jī)緊固件失效輕會破壞裝備完好性,重則影響飛行安全。近年來，國內(nèi)許多學(xué)者對飛機(jī)緊固零件進(jìn)行了多種形式的失效分析[2-15]。文獻(xiàn)[2～3]針對一起高強(qiáng)螺栓失效案例，利用宏觀、金相顯微鏡、掃描電鏡等測試手段分析了高強(qiáng)螺栓斷裂的失效原因，得出磷化前酸洗工序和磷化過程造成氫含量增加導(dǎo)致螺栓斷裂的結(jié)論，并提出規(guī)定緊固力矩及優(yōu)化表現(xiàn)處理工序的應(yīng)對措施。劉仲文等人針對某飛機(jī)隔框頂升夾具安裝螺釘斷裂案例進(jìn)行了失效分析，通過一系列宏、微觀形貌分析，外加X-射線能譜分析，得出螺釘表面鍍鋅工藝未嚴(yán)格執(zhí)行后續(xù)的除氫處理，氫脆導(dǎo)致螺釘斷裂的結(jié)論，對電鍍工藝提出了優(yōu)化建議[4]?？傊?，緊固件失效分析通過多種手段判斷零件失效形式,確定零件失效機(jī)理和原因，為科學(xué)選材、優(yōu)化加工路線及提出預(yù)防失效措施提供重要依據(jù)。

某型飛機(jī)后段外表艙蓋35CrMnSiA緊固螺釘，服役過程中發(fā)生了斷裂。該螺釘端頭和螺桿部位完好，斷裂位置為螺釘?shù)哪骋惶幝菁y部位,如圖1所示。斷裂形式以及導(dǎo)致斷裂的原因都是多種多樣的，及時(shí)找到失效原因，并采取應(yīng)對措施提升裝備質(zhì)量至關(guān)重要。

圖1 斷裂螺釘外觀形貌

1 試驗(yàn)過程及結(jié)果

1.1 化學(xué)分析

對斷裂螺釘取樣,利用OPTIMA 7000DV型電感耦合等離子光譜儀和CS744型碳硫分析儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，試驗(yàn)方法為GB/T 20125—2006及GB/T 20123—2006，具體分析結(jié)果見表1。35CrMnSiA的主要合金元素為Si、Mn、Cr，其中，Cr元素的加入能夠提高鋼的淬透性和回火穩(wěn)定性，細(xì)化晶粒，改善碳化物均勻性[3]；Mn、Si元素也能提高鋼的淬透性；Si還能起到固溶強(qiáng)化效果，提高鋼的強(qiáng)度。S和P作為鋼中的雜質(zhì)元素，較高的含量會導(dǎo)致加工過程中出現(xiàn)熱脆和冷脆現(xiàn)象，應(yīng)該嚴(yán)格控制其含量。分析發(fā)現(xiàn)，該斷裂螺釘?shù)闹饕瘜W(xué)元素均符合GB/T 3077—2015合金結(jié)構(gòu)鋼標(biāo)準(zhǔn)中35CrMnSiA要求。因此，可以排除冶金缺陷的影響。

1.2 硬度分析

為檢驗(yàn)該斷裂螺釘力學(xué)性能是否達(dá)標(biāo)，特選擇斷口處1、2、3三點(diǎn)，如圖2所示，對其進(jìn)行最簡單易行又具有代表性的性能測試——洛氏硬度試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)備型號為KH5200數(shù)顯洛氏硬度計(jì)，試驗(yàn)方法為GB/T 230.1—2018，試驗(yàn)環(huán)境為室溫。

圖2 斷裂螺釘外觀形貌

具體試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。按圖紙要求28～32 HRC，而實(shí)測為30.0 HRC滿足標(biāo)準(zhǔn)值要求。

表2 螺紋硬度(HRC)試驗(yàn)結(jié)果

1.3 宏觀斷口分析

在XTL-165-VB型體視顯微鏡下，對斷裂緊固螺釘斷口進(jìn)行宏觀分析，具體斷口形貌見圖3。觀察發(fā)現(xiàn)斷裂產(chǎn)生于螺紋處，斷口并未發(fā)現(xiàn)明顯塑性變形，且斷口較為平齊，分為A、B和C 3個(gè)區(qū)域，分別為裂紋源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)、瞬斷區(qū),斷面呈灰白色未見腐蝕形貌。

圖3 宏觀斷口形貌

1.4 微觀斷口分析

用無水酒精加超聲波清洗后，在EVO18掃描電子顯微鏡下，對緊固螺釘斷口進(jìn)行掃描電子顯微鏡(SEM)分析，具體斷口形貌如圖4所示。

(a)斷口形貌

在緊固螺釘微觀斷口形貌中,A區(qū)為裂紋源區(qū)，位于螺紋牙根處，呈多源特征，可見明顯磨損痕跡，不同裂紋源交匯對接形成臺階；B區(qū)為裂紋擴(kuò)展區(qū)，呈疲勞條帶形貌，可見明顯疲勞特征；C區(qū)為瞬斷區(qū)，約占整個(gè)斷面的1/6，說明在疲勞過程中所受交變載荷較小，斷面呈剪切韌窩特征。

查閱制造工藝，該緊固螺釘表面已做鍍鎳處理，因斷面未見腐蝕形貌，而且微觀斷口形貌顯示斷口干凈，未見撕裂楞、沿晶形貌等典型氫脆特征，排除鍍鎳時(shí)氫脆導(dǎo)致斷裂的可能[5]。

綜合上述分析，確定該緊固螺釘斷裂類型屬于疲勞斷裂，裂紋源主要集中于牙根處。

引起高強(qiáng)度鋼裂紋的因素是多方面的，冶金缺陷、熱處理缺陷、加工工藝等均可能成為產(chǎn)生裂紋的主要原因[6]。為精準(zhǔn)找到形成原因，需對其做進(jìn)一步分析。

1.5 顯微組織分析

在Imager.A1m型光學(xué)顯微鏡下，對斷裂緊固螺釘螺紋部位取樣，腐蝕劑選用4%硝酸酒精溶液[6]，試樣制備依據(jù)GB/T 13298—2015進(jìn)行，具體顯微組織形貌見圖5。從圖5發(fā)現(xiàn)，斷裂緊固螺釘螺紋處的顯微組織為回火索氏體結(jié)構(gòu)，并未發(fā)現(xiàn)過熱、過燒以及脫碳等現(xiàn)象[7]，排除熱處理缺陷帶來的影響；螺紋表面存在白色的鍍鎳層，金屬流線未沿螺紋牙型輪廓變形，呈切斷形貌，表明螺紋加工方式為車加工。螺紋表面未見折疊、裂紋等缺陷，可以排除機(jī)加工缺陷的影響。

(a)顯微組織(500倍)

2 加工方式與疲勞斷裂關(guān)系分析

該斷裂35CrMnSiA緊固螺釘?shù)臄嗫谛蚊蔡卣鞅砻髀葆敂嗔咽怯善谒?，裂紋源位于牙根處，呈多源疲勞形貌。經(jīng)化學(xué)分析，排除冶金缺陷尤其是雜質(zhì)元素對裂紋產(chǎn)生的影響。硬度測試達(dá)標(biāo)，顯微組織未見過熱、過燒、脫碳等熱處理缺陷；通過螺紋處的顯微組織形貌發(fā)現(xiàn)金屬流線呈切斷形貌，表明螺紋加工方式為車加工[8]。

該批緊固螺釘?shù)募庸すに嚍椋合铝?鐓頭-熱處理-數(shù)控車-表面處理。由此可知螺釘螺紋成型方式為數(shù)控車，與金屬流線檢查結(jié)果一致。車加工螺紋破壞了金屬流線的連續(xù)性，車刀對表層組織的擠壓變形，可能產(chǎn)生微裂紋、撕裂及凸起等缺陷[8]和材料中非金屬夾雜物在外表面裸露，容易在這些部位形成應(yīng)力集中，螺紋自身亦可被看作缺口，經(jīng)車工后的螺紋表面為拉應(yīng)力[9]。因此，車加工螺紋成為螺釘疲勞斷裂的主要原因。

為進(jìn)一步驗(yàn)證螺紋滾絲成型和車加工成型對疲勞性能的影響，選擇與斷裂緊固螺釘同批次材料和除螺紋滾絲成型外相同加工工藝，重新生產(chǎn)的緊固螺釘進(jìn)行拉-拉疲勞試驗(yàn)比對分析，以此作為重要參考。每種加工方式選取3個(gè)平行試樣，試驗(yàn)方法為GJB 715.30 A—2002《緊固件試驗(yàn)方法 拉伸疲勞》，高載為最小破壞載荷的46%即8.44 kN，循環(huán)應(yīng)力比為R=0.1[10]，具體試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。滾絲螺紋疲勞壽命達(dá)到50萬次未見破壞，而車加工螺紋疲勞壽命僅為5.02萬次，螺紋就發(fā)生了斷裂，斷口與服役斷裂緊固螺釘斷口相似。

表3 疲勞試驗(yàn)結(jié)果

螺紋滾絲成型是利用成型滾壓模具使工件產(chǎn)生塑性變形,利用冷擠壓的原理以獲得外螺紋的加工方法[11]。與車加工螺紋相比，它最大的優(yōu)勢在于幾十倍甚至百倍提高了生產(chǎn)效率[12]。更重要的是，它沒有切斷金屬纖維，保護(hù)螺紋金屬流線的連續(xù)性不被破壞[13]，在均勻的擠壓力作用下，變形過程中，材料表面會產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象，強(qiáng)度和硬度提高[14]，同時(shí)使表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，在螺紋受力過程中抵消了一部分拉應(yīng)力[15]，從而提升了緊固件疲勞性能。

3 結(jié)論及建議

通過對斷裂35CrMnSiA緊固螺釘進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論和建議。

1)該緊固螺釘在服役過程中斷裂，斷裂原因?yàn)槎嘣雌跀嗔?，由于螺釘螺紋成型方式為車加工，破壞了螺紋金屬流線的連續(xù)性，在牙根處存在應(yīng)力集中和殘余拉應(yīng)力，在服役過程中受到持續(xù)的交變載荷作用，在牙根處形成微裂紋，直至擴(kuò)展斷裂，車加工螺釘是疲勞斷裂的主要原因。

2)滾絲成型螺紋保護(hù)了螺紋金屬流線的連續(xù)性和牙根部位的壓應(yīng)力，可有效提升螺紋疲勞性能。針對工作使用環(huán)境對疲勞有較高要求的緊固件，建議選擇滾絲成型方式加工螺紋。

3)選擇與斷裂緊固螺釘同批次材料和除螺紋滾絲成型外相同加工工藝，重新生產(chǎn)的緊固螺釘進(jìn)行拉-拉疲勞試驗(yàn)比對分析。每種加工方式選取3個(gè)平行試樣，按GJB 715.30 A—2002《緊固件試驗(yàn)方法 拉伸疲勞》進(jìn)行試驗(yàn)，滾絲成型螺釘疲勞壽命達(dá)到50萬次未見破壞，車加工螺紋疲勞壽命5.02萬次時(shí)螺紋就發(fā)生了斷裂，斷口與服役斷裂緊固螺釘斷口相似。滾絲成型螺釘疲勞性能遠(yuǎn)優(yōu)于螺紋車加工成型螺釘。

4)為消除后續(xù)隱患，建議完善螺釘成型工藝方法，采用滾絲成型，停用車加工批次螺釘。