發(fā)電機(jī)用緊固件螺釘斷裂分析

王婷，軒喜瑜，成智會(huì)

陜西航空電氣有限責(zé)任公司 陜西興平 713100

1 序言

緊固件是將兩個(gè)或兩個(gè)以上零件通過一定過盈配合形式聯(lián)接或緊固在一起的一類機(jī)械零件，具有增加摩擦、防止松動(dòng)等作用[1]。隨著汽車、電子、軍工、航空航天等行業(yè)的高速發(fā)展，緊固件的需求急劇增加，由于其使用領(lǐng)域廣泛，它的質(zhì)量安全問題直接關(guān)系到產(chǎn)品交付、產(chǎn)品質(zhì)量和人身安全[2-5]。

氫脆是影響高強(qiáng)度緊固件質(zhì)量的重要因素之一，常表現(xiàn)為延時(shí)斷裂，其危害性極大，是一個(gè)不容忽視的重要問題，已引起整個(gè)緊固件行業(yè)及用戶的廣泛關(guān)注。截止目前，國(guó)內(nèi)多位學(xué)者對(duì)緊固件的斷裂問題進(jìn)行研究報(bào)道，孫小炎等[6-11]對(duì)緊固件的氫脆斷裂進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)氫脆斷裂現(xiàn)象與熱處理、電鍍、酸洗等有直接關(guān)系?？傊绊懢o固件氫脆的因素很多，包括氫含量、工藝因素、材料組織狀態(tài)、材料強(qiáng)度、應(yīng)力因素等。

我公司某發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子裝配緊固件螺釘在工作過程中發(fā)現(xiàn)斷裂，該螺釘規(guī)格為M5×20ZnD，是發(fā)電機(jī)上聯(lián)接主發(fā)轉(zhuǎn)子引出線和保護(hù)電阻引出線的一個(gè)零件，使電機(jī)正常發(fā)電，確保飛機(jī)正常工作。因此，本論文主要通過對(duì)斷裂螺釘進(jìn)行宏觀分析、電鏡能譜分析、化學(xué)成分分析、硬度檢測(cè)、金相檢驗(yàn)、氫含量檢測(cè)等，以確定螺釘斷裂性質(zhì)，并查找其失效的直接原因，從而為此類零件失效故障的研究和預(yù)防提供借鑒。

2 試驗(yàn)過程與結(jié)果

2.1 宏觀觀察

螺釘?shù)木唧w斷裂位置如圖1所示，斷裂位置在靠近螺釘頭部的第一螺牙根部。

圖1 螺釘斷裂位置

將螺釘頭部斷口放置于Leica MZ75體視顯微鏡下進(jìn)行觀察，斷口較平齊，呈亮灰色可見結(jié)晶顆粒，斷口有人字紋花樣，收斂于斷口左側(cè)，斷口邊緣無(wú)明顯的宏觀塑性變形痕跡，未觀察到明顯冶金缺陷，形貌如圖2所示。

圖2 螺釘斷口宏觀形貌

2.2 微觀檢查

將螺釘頭部斷口置于無(wú)水乙醇溶液中進(jìn)行超聲波清洗，置于VEGA Ⅱ LMH掃描電鏡下觀察，斷口可見放射棱線，收斂方向?yàn)榱鸭y萌生區(qū)，形貌如圖3所示。放大觀察，微觀形貌大部分區(qū)域呈冰糖塊狀沿晶斷裂特征，晶面存在大量的雞爪痕狀撕裂棱，輪廓鮮明，斷口上可見二次裂紋，形貌如圖4、圖5所示。斷口較粗糙處為最后斷裂區(qū)呈等軸韌窩特征，可見螺釘開裂后受到的垂直應(yīng)力逐漸增大，微觀斷裂特征逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闇?zhǔn)解理，最后為韌窩形貌，如圖6所示。

圖3 電鏡下螺釘斷口形貌

圖4 沿晶冰糖塊狀形貌

圖5 晶面雞爪痕狀形貌

圖6 瞬斷區(qū)等軸韌窩形貌

對(duì)斷口沿晶特征部分進(jìn)行能譜分析，其基體成分除Fe、C、S外，未檢測(cè)到其他元素，符合45A材料標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2.3 化學(xué)成分分析

用直讀光譜儀對(duì)斷裂件基體進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)，其結(jié)果見表1。該螺釘?shù)闹饕瘜W(xué)成分C、S、P，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.42%、0.002%、0.017%，符合GJB 1951—1994標(biāo)準(zhǔn)45A要求。

表1 螺釘化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）檢測(cè)結(jié)果（%）

2.4 硬度檢測(cè)

從斷裂螺釘中制取硬度試樣，用MH-5顯微硬度計(jì)檢測(cè)硬度，結(jié)果見表2。洛氏硬度HRC按照GB/T 1172—1999換算的抗拉強(qiáng)度平均值1452MPa，不符合設(shè)計(jì)資料要求，且材料實(shí)際強(qiáng)度比資料要求高很多，材料脆性傾向增大，這與熱處理工藝不當(dāng)有直接關(guān)系。建議調(diào)節(jié)材料硬度，使其滿足設(shè)計(jì)資料要求。

表2 螺釘硬度檢測(cè)結(jié)果

2.5 金相分析

從斷裂螺釘上制取金相試樣，未腐蝕置于Leica DMR金相顯微鏡下觀察，基體非金屬夾雜物級(jí)別符合要求，未見其他冶金缺陷。將該試樣用4%硝酸酒精浸蝕后進(jìn)行觀察，其組織為回火索氏體且均勻一致，未見脫碳現(xiàn)象，形貌如圖7所示。

圖7 基體金相組織

2.6 氫含量檢測(cè)

將斷裂螺釘進(jìn)行氫含量檢測(cè)，零件中的氫含量約為7ppm（1ppm=10-6），遠(yuǎn)高于材料中規(guī)定值，可見氫含量較高對(duì)氫脆斷裂更加敏感。該批零件進(jìn)行鍍鋅鈍化工藝后進(jìn)行除氫處理，除氫不完全或不及時(shí)都可能讓基體內(nèi)部的氫原子無(wú)法擴(kuò)散處理，聚集在基體應(yīng)力集中部位，受到較大載荷時(shí)發(fā)生斷裂。

2.7 拉斷力試驗(yàn)

從庫(kù)存任取3件同批次螺釘，用CMT 5205微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉力試驗(yàn)，結(jié)果見表3。該螺釘?shù)目估瓘?qiáng)度值均高于設(shè)計(jì)要求800～1000MPa，不符合設(shè)計(jì)要求。

表3 庫(kù)存螺釘拉力檢測(cè)結(jié)果（MPa）

3 分析與討論

由以上檢測(cè)結(jié)果可知，螺釘斷口未見冶金缺陷、化學(xué)成分符合要求，可排除因材料缺陷導(dǎo)致的斷裂。通過微觀觀察可知，斷口較干凈且無(wú)腐蝕產(chǎn)物，呈沿晶斷裂特征。其晶面干凈，晶粒輪廓清晰，沒有附著物，部分晶面可見大量雞爪形的撕裂棱。

為了確保螺釘在交變沖擊和振動(dòng)的工作環(huán)境下能承受較大的拉力和剪力，不僅需較高強(qiáng)度，還需高的耐沖擊性能。由硬度檢測(cè)結(jié)果可知，硬度換算的抗拉強(qiáng)度值遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)要求。零件雖符合高強(qiáng)度的要求，但材料的臨界應(yīng)力變低，孕育期越短，在多次交變、沖擊等載荷下，其脆性斷裂傾向增大。該零件同批次的強(qiáng)度值與失效件相當(dāng)，均遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)要求，而該材料的強(qiáng)度較高與熱處理工藝有關(guān)，建議調(diào)整該螺釘?shù)臒崽幚砉に?，使其?qiáng)度略高于標(biāo)準(zhǔn)要求，保持材料的塑性，降低脆性斷裂的敏感性。

由該零件工藝可知，失效螺釘進(jìn)行鍍鋅鈍化處理，測(cè)量失效件的氫含量較大，可能在酸性溶液中時(shí)間過長(zhǎng)或溫度過高，零件就會(huì)大量吸收氫原子，鍍鋅工序后沒有及時(shí)除氫或除氫不充分，原子狀態(tài)的氫就會(huì)滲入到鍍層底部，經(jīng)過一段時(shí)間后氫擴(kuò)散到金屬內(nèi)部，特別是聚集在金屬內(nèi)部缺陷或應(yīng)力集中部位，在零件中很難擴(kuò)散出來(lái)，當(dāng)局部氫含量達(dá)到一定程度后使基體脆化，最終發(fā)生氫脆斷裂。該氫原子的存在使材料對(duì)氫敏感性增加，建議在鍍鋅工藝之后，對(duì)零件及時(shí)除氫或延長(zhǎng)除氫時(shí)間，減少氫脆斷裂的可能性。

4 結(jié)束語(yǔ)

1）螺釘斷裂為氫脆斷裂。

2）螺釘強(qiáng)度偏高，不符合設(shè)計(jì)資料要求，使材料基體脆性斷裂傾向增大。建議調(diào)整熱處理制度，使螺釘強(qiáng)度符合技術(shù)要求，降低材料的脆性斷裂敏感性。

3）螺釘基體氫含量較大，氫主要來(lái)源于表面處理中鍍鋅鈍化后除氫不及時(shí)或不徹底，建議及時(shí)除去零件中的氫原子或延長(zhǎng)除氫時(shí)間。