飛機蓋板螺栓斷裂失效分析

殷小健, 許永春, 張 兵, 馮德榮 , 孫曉軍, 張欽瑩

(1. 河南省緊固連接技術(shù)重點實驗室, 河南 信陽 464000; 2. 河南航天精工制造有限公司, 河南 信陽 464000;3. 中國航發(fā)北京航空材料研究院, 北京 100095)

由于具有成本低、強度高等優(yōu)點,鋼制緊固件廣泛應用于各個行業(yè)。在航空航天領(lǐng)域,雖然鈦合金、鋁合金等材料的緊固件應用日益增多,鋼制緊固件仍然占絕大比例。作為一種重要的緊固件,螺栓多用于聯(lián)接承力件,一旦失效,可能會導致嚴重事故,甚至造成人員傷害和死亡。鋼制螺栓失效模式復雜多變,其中氫致延遲脆性破壞是其較為常見的失效模式[1-3]。

氫不僅會使鋼制零件變脆,還會降低材料的極限抗拉強度和疲勞性能[4-7]。此外,由于具有“批次性”、難于預判性等特點,氫脆破壞一直是鋼制零件安全服役所面臨的重大威脅之一,也是國內(nèi)外科研人員關(guān)注的重點之一。對于鋼制螺栓,由于酸洗、電鍍等表面處理過程引入氫而導致氫脆開裂的現(xiàn)象已有較多研究[3,8],在使用過程由于表面腐蝕吸氫導致氫脆開裂的案例還鮮見報道。因此,對于使用過程中由于表面腐蝕吸氫而導致氫脆開裂的現(xiàn)象和機理進行分析研究并提出預防措施,對于工程上類似故障的預防具有較高的參考價值。

某飛機服役一段時間后,機翼蓋板1根螺栓發(fā)生斷裂。斷裂螺栓為M8十字槽沉頭螺栓,材料為ML30CrMnSiA鋼,制造工藝為冷鐓→機加工→熱處理→吹砂→鍍鋅→除氫。

本文通過外觀痕跡和斷口形貌觀察、顯微組織檢查、硬度測試、能譜成分分析、氫含量測試以及氫脆試驗,對螺栓的斷裂性質(zhì)和原因進行了分析,并提出了預防措施。

1 試驗過程與結(jié)果

1.1 宏觀觀察

失效螺栓宏觀形貌見圖1,螺栓于第一扣螺紋處發(fā)生斷裂,斷口幾乎和軸向垂直,螺栓頭一側(cè)殘段表面可見大面積腐蝕,螺紋殘段殘留在螺母內(nèi),該段螺紋表面以及螺母表面未見明顯腐蝕。螺栓斷口宏觀形貌見圖2,裂紋起源于螺紋底部一側(cè)表面,向?qū)?cè)擴展,最后斷裂區(qū)呈剪切唇特征。螺栓頭一側(cè)斷口氧化腐蝕較嚴重,螺母一側(cè)斷口相對干凈,因此主要對螺母一側(cè)斷口進行微觀形貌分析。

圖1 斷裂螺栓宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the fractured bolt

1.2 微觀觀察

利用場發(fā)射掃描電鏡對螺母一側(cè)斷口的微觀形貌進行觀察。斷口源區(qū)呈沿晶+解理混合斷裂特征,以沿晶特征為主,靠近邊緣數(shù)十微米的區(qū)域內(nèi)可見腐蝕痕跡;擴展區(qū)韌窩比例逐漸增加,呈沿晶+韌窩混合特征;斷口沿晶區(qū)晶面局部可見撕裂棱;斷口心部和剪切唇區(qū)域主要呈韌窩特征,見圖3。斷口源區(qū)一側(cè)側(cè)表面可見明顯的腐蝕產(chǎn)物,見圖4。分別對失效螺栓和同批次的一個新螺栓進行人為打斷,兩個螺栓人為斷口主要呈韌窩特征,均未見明顯沿晶斷裂特征,見圖5。

圖3 螺栓斷口微觀形貌(a)源區(qū)低倍形貌;(b)源區(qū)高倍形貌;(c)擴展區(qū)微觀形貌;(d)斷口心部微觀形貌Fig.3 Micromorphologies of the bolt fracture surface(a) low magnification of source zone; (b) high magnification of source zone; (c) at extension zone; (d) at core of fracture surface

圖4 斷口源區(qū)側(cè)表面的腐蝕產(chǎn)物Fig.4 Corrosion products on side surface near the fracture source

圖5 螺栓人為斷口微觀形貌(a)失效螺栓;(b)同批次螺栓Fig.5 Micromorphologies of man-made fracture surfaces of the bolts (a) failed bolt; (b) a bolt of the same batch

1.3 能譜成分分析

對螺母一側(cè)斷口以及源區(qū)側(cè)表面腐蝕產(chǎn)物進行能譜成分分析,結(jié)果見表1。螺母一側(cè)斷口僅在邊緣數(shù)十微米范圍內(nèi)存在較高的O元素和少量Cl元素,內(nèi)部沿晶擴展區(qū)O元素含量較低且未見Cl元素;源區(qū)側(cè)表面腐蝕產(chǎn)物除了含有很高的O元素和一定量的Cl元素外,還含有少量的S元素。

表1 螺栓斷口以及源區(qū)側(cè)表面能譜成分分析結(jié)果(質(zhì)量分數(shù),%)

1.4 顯微組織檢查

將螺栓頭一側(cè)斷口從中間位置縱向剖開,制備金相試樣,磨拋腐蝕后進行顯微組織檢查。源區(qū)一側(cè)表面鍍層消失,局部可見點蝕坑,源區(qū)對側(cè)表面鍍層仍可見,兩側(cè)表層均存在深度20 μm左右的半脫碳層,符合HB 7454—1997《MJ螺紋合金鋼及不銹鋼螺栓螺釘通用規(guī)范》的規(guī)定(螺栓允許的法向半脫碳層最大深度為0.1 mm),心部組織為正常的回火索氏體,裂紋源區(qū)組織與其他部位無明顯差異,斷口附近未見沿晶分叉裂紋,見圖6。

1.5 硬度測試

分別從失效螺栓以及一個同批次新螺栓(人為打斷螺栓)上截取橫截面試樣,磨拋后進行顯微硬度測試,結(jié)果見表2。兩個螺栓硬度接近,近表面硬度略低,失效螺栓心部硬度按GB/T 1172—1999《黑色金屬硬度及強度換算值》轉(zhuǎn)換成抗拉強度Rm約1316 MPa,略高于技術(shù)要求上限(1080～1280 MPa)。

表2 螺栓顯微硬度測試結(jié)果 (HV0.5)

1.6 氫含量測試

從失效螺栓心部取φ5 mm×5 mm測氫試樣,采用脈沖加熱—熱導法測試氫含量。失效螺栓基體氫含量平均值為0.8×10-6。

1.7 氫脆試驗

為了明確螺栓的斷裂原因,對同批次螺栓按照HB 5067.1—2005《鍍覆工藝氫脆試驗 第1部分:機械方法》進行氫脆持久試驗。試驗選取6根同批次新螺栓,每3根螺栓串聯(lián)連接,分為兩組,試驗載荷為螺栓破壞載荷的0.75倍。經(jīng)過200 h氫脆持久試驗,6根螺栓均未發(fā)生斷裂。

2 分析與討論

2.1 螺栓斷裂性質(zhì)

斷口觀察顯示,失效螺栓斷口源區(qū)和擴展前期主要呈沿晶開裂特征。鋼制零件發(fā)生沿晶脆性開裂的可能因素包括回火脆性、氫致開裂和應力腐蝕開裂。失效螺栓人為打斷斷面主要呈韌窩特征,說明材料自身未見明顯脆性,由此可排除回火脆性導致的沿晶開裂。

失效螺栓螺母一側(cè)斷口僅邊緣數(shù)十微米區(qū)域可見腐蝕特征,沿晶區(qū)深度遠大于腐蝕區(qū),且晶面局部可見撕裂棱(雞爪痕)。此外,金相檢查顯示,斷口附近未見沿晶分叉裂紋。綜合以上特點,可判斷螺栓斷裂性質(zhì)為氫致延遲脆性斷裂。

2.2 螺栓斷裂原因

鋼制零件發(fā)生氫致脆性開裂是一個多因素耦合作用的結(jié)果,主要影響因素包括材料狀態(tài)、氫含量和拉應力,其中材料狀態(tài)是內(nèi)在影響因素,氫含量和拉應力是誘發(fā)因素,如圖7所示[9]。通常而言,材料強度越高,氫脆敏感性越大,發(fā)生氫脆開裂所需的臨界氫含量越低。對于中低強度鋼,氫含量大于5×10-6時可能會發(fā)生氫脆開裂,當強度高于1200 MPa時,材料氫脆敏感性迅速增加,即使氫含量小于1×10-6,都有可能會發(fā)生氫脆開裂[10-13]。失效螺栓基體硬度換算成抗拉強度Rm約1316 MPa,位于技術(shù)要求上限,材料本身具有較高的氫脆敏感性,是螺栓發(fā)生氫脆開裂的內(nèi)在原因。

圖7 鋼制零件發(fā)生氫脆開裂的影響因素[9]Fig.7 Influencing factors for hydrogen embrittlement cracking of steel parts[9]

一般來說,零件內(nèi)部的氫含量越高,則發(fā)生氫脆開裂的可能性越大。失效螺栓基體氫含量較低(小于1×10-6),且同批次新螺栓經(jīng)過200 h氫脆持久試驗后均未斷裂,由此可判斷,螺栓氫脆斷裂和其內(nèi)部的氫含量關(guān)系不大。失效螺栓斷口源區(qū)一側(cè)表面存在明顯腐蝕產(chǎn)物且鍍層消失,斷口源區(qū)邊緣也可見腐蝕產(chǎn)物,腐蝕產(chǎn)物含有Cl元素。此外,對其他蓋板螺栓進行排查,均未發(fā)現(xiàn)明顯腐蝕及開裂現(xiàn)象。綜合以上特點,可判斷螺栓氫脆斷裂應該與表面腐蝕吸氫有關(guān)。失效螺栓在腐蝕介質(zhì)作用下首先出現(xiàn)鍍層破損,基體和腐蝕介質(zhì)發(fā)生反應:Fe+3HCl→3H+FeCl3。反應產(chǎn)生的氫一部分以分子的形式逸出,其余以原子的形式進入材料基體(見圖8(a))。螺栓螺紋底部為應力集中部位,在應力梯度作用下材料中的氫原子在晶格內(nèi)擴散或跟隨位錯運動,向螺紋底部表層區(qū)域的晶界、空穴、位錯等缺陷處聚集(見圖8(b)),導致晶面結(jié)合強度降低,進而在應力作用下形成沿晶微裂紋并擴展。

圖8 螺栓腐蝕吸氫以及氫向晶界聚集示意圖(a)表面腐蝕吸氫; (b)氫在晶界聚集Fig.8 Schematic illustration of hydrogen ingress into bolt and gathering at grain boundaries(a) ingress of hydrogen due to corrosion; (b) gathering of hydrogen at grain boundaries

失效螺栓表面可見大面積腐蝕,而其他蓋板螺栓表面均未出現(xiàn)明顯腐蝕,說明失效螺栓使用環(huán)境相對比較惡劣。失效螺栓頭部一側(cè)殘段表面腐蝕嚴重,螺母一側(cè)螺紋殘段腐蝕輕微,由此可判斷失效螺栓頭部一側(cè)腐蝕嚴重應該與積液等惡劣腐蝕環(huán)境有關(guān)。

2.3 預防措施

鋼制零件氫脆失效一般可以從以下3方面進行預防和控制:①調(diào)整熱處理工藝,適當降低材料強度;②降低材料的氫含量;③適當降低拉應力水平。螺栓強度位于技術(shù)要求上限,本身具有較高的氫脆敏感性,這是螺栓發(fā)生氫脆斷裂的內(nèi)因。螺栓在服役過程中,表面局部腐蝕吸氫,導致表層氫含量增加,這是本次螺栓氫脆斷裂的直接原因。調(diào)整熱處理工藝,在滿足設(shè)計要求的前提下適當降低螺栓的強度,同時加強螺栓的腐蝕防護,可以有效預防氫脆斷裂的發(fā)生。

3 結(jié)論

1) 螺栓斷裂性質(zhì)為氫致延遲脆性斷裂。

2) 材料強度偏高,氫脆敏感性較大是螺栓氫脆斷裂的內(nèi)因,表面局部腐蝕吸氫是導致螺栓氫脆斷裂的直接原因。

3) 調(diào)整熱處理工藝,在滿足設(shè)計要求的前提下適當降低螺栓的強度,同時加強螺栓的腐蝕防護,可以有效預防氫脆斷裂的發(fā)生。