擰緊力矩對飛行器連接件應力腐蝕的影響分析

張宏飛盧猛

（1. 中國人民解放軍陸航部駐洛陽地區軍事代表室，河南洛陽 471003；2.中國空空導彈研究院凱邁氣源，河南洛陽 471003）

擰緊力矩對飛行器連接件應力腐蝕的影響分析

張宏飛1盧猛2

（1. 中國人民解放軍陸航部駐洛陽地區軍事代表室，河南洛陽 471003；2.中國空空導彈研究院凱邁氣源，河南洛陽 471003）

在應力腐蝕理論基礎上，結合強度理論和高壓氣源產品螺紋強度設計理論，考慮工作氣壓力、材料性能等參數，建立失效極限狀態方程，有針對性的設計驗證試驗，對應力腐蝕失效件進行了金相組織、微觀組織和能譜分析，驗證了用于承受氣壓力螺紋連接件擰緊力矩正確算法的有效性，同時也證明了其在航空航天工程領域的應用價值。

擰緊力矩 螺紋連接 高壓氣源 應力腐蝕

隨著武器裝備的不斷升級，螺紋連接結構以其獨特的優點，在裝備的高壓氣動控制系統中被廣泛應用，但在實際使用中應力腐蝕問題也不同程度影響著裝備的整體質量。

氫致破裂理論認為，腐蝕過程中產生的H在拉應力的作用下沿晶界擴散進入裂紋尖端區引起氫脆，從而加速了應力腐蝕裂紋的擴展［1］。陽極溶解模型認為高強鋁合金的腐蝕機理是電化學性質的［2］，合金在應力和腐蝕介質的作用下，氧化膜被破壞，在拉應力作用下，裸露的基體金屬與氧化膜在介質環境中形成小陽極和大陰極的自腐蝕電池，發生陽極溶解［2~3］，促使裂紋較快擴展。

1　理論分析計算

在飛行器的高壓氣源系統中，螺紋連接結構在起到可靠連接作用的同時，還要起到密封、防松、防應力腐蝕等作用，所在設計計算是要綜合考核密封力、防松力和應力腐蝕門檻應力的要求。

1.1允許的最大預緊力

螺紋連接件裝配時，在預緊力矩作用下，螺紋連接件除受到預緊力拉伸作用而產生拉伸應力外，還受到螺紋間的摩擦力矩的扭矩作用而產生扭轉切應力，此時螺栓處于拉伸與扭轉的復合應力狀態下。

預緊時，過大的預緊力會使螺紋連接件發生靜力破壞，增大應力腐蝕敏感性。根據第四強度理論，可知當有氣壓力作用時，相當于外加拉伸載荷作用，螺紋連接件上拉應力增大，通過推導可知有氣壓力作用下螺紋連接件所需的最大預緊力公式［4~5］。

1.2螺紋連接擰緊力矩計算

根據工程經驗，用于承受氣源壓力的飛行器螺紋連接件，在擰緊時，要克服螺紋副間的螺紋力矩和支撐面的摩擦力力矩，于是根據螺紋連接件幾何尺寸及工作氣壓力可以推導出擰緊力矩的工程應用公式。

2　試驗方法與結果

利用材料為7A09鋁合金制作螺紋副。按照上述理論分析，擰緊力矩應不大于110 N·m。為了驗證上述分析的準確性，進行了兩種自然腐蝕試驗，試件一施加130N·m擰緊力矩內部存貯35MPa氮氣，在南海自然環境下540天后出現應力腐蝕失效；試件二施加65N·m擰緊力矩內部存貯35MPa氮氣，在南海自然環境下1080天后仍完好。隨后對應力腐蝕失效后的試件一分別進行了金相組織分析、顯微分析和能譜分析。

對失效件在掃描電鏡下觀察，試件一中的螺栓斷口裂紋從平行于棒材軋制方向一側的螺紋根部表面起始，該部位以沿晶斷裂為主，晶界輪廓不清晰，沿晶面上有腐蝕產物，斷口其余部位為沿晶+韌窩混合形貌特征，斷面上無明顯腐蝕產物。對失效件利用X射線能譜儀進行成分分析表明，沿晶面上腐蝕產物中含有Cl、S腐蝕性元素。對失效件在沿平行于斷口平面方向、斷口背面磨取金相試樣，腐蝕后觀察其金相組織正常，未發現組織過燒現象。另外，在斷面螺紋根部、斷口側面有大量的腐蝕坑，局部可見氧化膜開裂和多條從腐蝕坑處起始的裂紋特征。

3　分析與討論

綜合試驗結果分析，試件一中的螺栓結構件的應力腐蝕試驗斷口宏觀上裂紋起始部位以沿晶斷裂特征為主，沿晶面上有腐蝕產物，其中含有Cl、S腐蝕性元素，而斷口其余部位為沿晶韌窩混合形貌特征，斷面上無明顯腐蝕產物，這些表明試件一中的螺栓結構件的斷裂性質為應力腐蝕開裂引起的快速脆斷。斷裂系試件安裝擰緊力矩過大，使得螺栓結構件所承受的拉應力遠大于門檻值，其表面的氧化膜被腐蝕而受到破壞，破壞表面和未破壞表面分別形成陽極和陰極，陽極處的金屬成為離子而被溶解，產生電流流向陰極。由于陽極面積比陰極的小得多，陽極的電流密度很大，進一步腐蝕已破壞的表面。加上氣壓力的作用，破壞處逐漸形成裂紋，裂紋隨時間逐漸擴展直到斷裂。

通過試件二的試驗可知，合理設計選擇螺紋連接件的擰緊力矩，可保證即使該類結構在腐蝕環境中也不容易發生應力腐蝕失效，因此在類似結構設計中必須給予關注。

4　結語

本文是在多年來積累的工程經驗和實測數據的基礎上，進行歸納總結，通過公式推導和試驗驗證。結果證明擰緊力矩對飛行器螺紋連接結構件的應力腐蝕有著重要影響，選擇合適的擰緊力矩是避免飛行器螺紋連接結構件出現質量問題的有效保證之一，推導出的理論計算公式為飛行器用高壓氣源系統的螺紋連接結構設計提供了理論參考。

［1］Scanmans G M，Holmyd N J H，Tuck C D S.The mechanism of magnesium segregation in the intergranular stress corosion cracking of aluminium alloys［J］.Corros.Sci.，1987，27（4）：329-347.

［2］Ren G J，Zhao C Y.Electrochemical behaviour inside the stress corosion cracking of aluminum alloy［J］. J.Shenyang.Inst. Techno1.，2002，2l（2）：llO—ll3.

［3］“u J H，“D，Zhu G W.Stress corrosion susceptibility of 7075 aluminium alloy studied by SSRT and electrochemical tests［J］. Corros.Prot..，2005，26（1）：6-9.

［4］陶春虎，劉高遠，恩云飛，等.軍工產品失效分析技術手冊［M］.北京：國防工業出版社. 2009： 377 - 381.

［5］成大先.《機械設計手冊》連接與緊固［M］.化學工業出版社. 2011：69-71.