鈦合金高鎖螺栓斷裂原因分析

何 軍,王浩宇,王大為,丁亞紅,李國慶,朱 苓

[中航工業成都飛機工業(集團)有限責任公司,成都 610091]

鈦合金具有高比強度、較寬的工作溫度范圍和優異的抗腐蝕能力等特點，在航空航天領域中被廣泛用于制造壓氣機葉片、盤、機匣以及緊固類零件[1]。隨著航空技術的發展，對現代飛機的機械連接工藝提出了質量輕、強度高、壽命長、安裝方便等要求。在此背景下研制生產了具有可控預載荷、自鎖、高疲勞壽命、抗振動等特點的鈦合金高鎖螺栓[2]。但是，與結構鋼、不銹鋼和高溫合金零件相比，鈦合金零件對表面損傷和缺陷具有更大的敏感性，加工、裝配和使用中的任何疏忽，都會使鈦合金零件的使用性能大受影響，甚至發生嚴重的斷裂事故[3-4]。

某鈦合金高鎖螺栓在裝配時發生斷裂，斷裂螺栓共2個，均由同一名操作工人采用相同的裝配方法在同一天裝配時斷裂。與斷裂螺栓同批次的螺栓，較早前也在同一裝配位置發生過斷裂現象。筆者對斷裂螺栓進行一系列理化檢驗，分析了螺栓斷裂的原因，并給出了相應的改進建議。

1 理化檢驗

1.1 宏觀分析

圖1 斷裂螺栓的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the fractured bolts

2個斷裂螺栓的宏觀形貌如圖1所示，可見螺栓均斷裂成兩部分，其中1號螺栓斷裂的純螺紋段已從螺母中脫出，而2號螺栓斷裂的純螺紋段仍在配套螺母中。2個螺栓的斷裂部位完全相同，均為第2～3扣螺紋根部。

2個螺栓斷裂形成的斷口在純螺紋段保存較為完整，其宏觀形貌如圖2所示，可見斷面呈暗灰色，有明顯的斷裂棱線。從斷裂棱線的收斂方向，可以推知斷裂起源于螺紋根部，斷裂源區對側邊緣可見面積較小的剪切唇[4]。另外，2個螺栓純螺紋段斷口的耦合面上均存在嚴重的劃傷痕跡，劃痕底部呈現光亮的金屬光澤，說明劃痕是螺栓斷裂后對斷面保護不當所致，與斷裂原因無關。

圖2 斷裂螺栓的斷口宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of fracture of the fractured bolts:a) the No。1 bolt; b) the No。2 bolt

1.2 微觀分析

將圖2的斷口經超聲波+酒精清洗后置于掃描電鏡下進行微觀觀察，如圖3所示。可見斷裂在螺紋根部呈單邊的線性起源，裂紋源區未見夾渣、氣孔等冶金缺陷和機械損傷痕跡，斷裂棱線沿直徑方向擴展。裂紋源區的微觀形貌為準解理+細小韌窩，如圖4所示。裂紋擴展區和剪切唇區的微觀形貌均為典型的等軸韌窩，如圖5和圖6所示。

圖3 斷裂螺栓的斷口微觀形貌Fig.3 Micro morphology of fracture of the fractured bolts:a) the No。1 bolt; b) the No。2 bolt

圖4 裂紋源區的微觀形貌Fig.4 Micro morphology of crack source area:a) the No。1 bolt; b) the No。2 bolt

圖5 裂紋擴展區的微觀形貌Fig.5 Micro morphology of crack growth area:a) the No。1 bolt; b) the No。2 bolt

圖6 剪切唇區的微觀形貌Fig.6 Micro morphology of shear lip area:a) the No。1 bolt; b) the No。2 bolt

1.3 金相檢驗

由于2個斷裂螺栓的斷裂模式相同，故選取1號螺栓沿縱向加工制備出金相試樣。1號螺栓的顯微組織形貌如圖7和圖8所示，可見其頭部和螺紋部位的組織流線均正常，顯微組織未見過熱、表面污染和磨削燒傷跡象，即冶金特性未見異常[5]。另外，斷口附近區域和螺桿部位的顯微組織基本一致，均為等軸初生α相和晶界處轉變β相，未見顯著差異。

圖7 1號斷裂螺栓的低倍顯微組織形貌Fig.7 Low magnification microstructure morphology ofthe No。1 fractured bolt: a) thread; b) screw

圖8 1號斷裂螺栓的高倍顯微組織形貌Fig.8 High magnification microstructure morphology ofthe No。1 fractured bolt: a) fracture; b) screw

1.4 力學性能復查

作為成品采購的標準件，斷裂螺栓需按批次抽樣進行拉伸試驗和雙剪試驗，以測試其抗拉強度和抗剪強度。所采用的試驗方法分別為GJB 715.23A-2015《緊固件試驗方法 拉伸強度》和GJB 715.26A-2015《緊固件試驗方法 雙剪》。查閱斷裂螺栓的入廠復驗報告可知,該批次螺栓分別抽取了5個螺栓進行拉伸試驗和雙剪試驗，所測結果均高于技術標準規定的抗拉強度和抗剪強度。

1.5 裝配現場調查

斷裂螺栓的裝配位置處于單面開口的封閉空間內部，僅有的開口面下方還有一處橫梁，使得螺栓裝配的操作空間十分狹小。裝配現場使用的具有定力功能的氣動槍體積較大，無法在斷裂螺栓的裝配部位使用。因此，操作工人一般采用普通扳手進行裝配，擰斷螺母外沿凸起的施力大小依靠經驗進行控制。正常裝配時，扳手的轉動平面應與螺栓軸線垂直，在沒有橫梁阻礙的裝配部位能夠滿足上述要求，該位置的裝配示意圖如圖9所示。但是，斷裂螺栓裝配部位的下方有一處橫梁，限制了扳手的運動空間，實際操作時容易導致扳手的轉動平面發生傾轉，從而在螺栓上附加彎曲應力,該位置的裝配示意圖如圖10所示。

圖9 普通扳手的裝配現場示意圖(無橫梁阻礙)Fig.9 Assembly site diagram of common wrench(no crossbeam obstruction)

圖10 普通扳手的裝配現場示意圖(有橫梁阻礙)Fig.10 Assembly site diagram of common wrench(obstructed by crossbeam)

2 分析與討論

2個斷裂的螺栓均從第2～3扣螺紋根部發生斷裂，斷裂源區呈單邊線性起源，斷裂源區未見夾渣、氣孔等冶金缺陷和機械損傷痕跡。斷口的微觀形貌在裂紋源區為準解理+細小韌窩，裂紋擴展區和剪切唇區均為典型的等軸韌窩，說明螺栓的斷裂性質為過載斷裂。

斷裂螺栓的顯微組織未見過熱、表面污染和磨削燒傷跡象，并且斷口附近區域和螺桿部位的顯微組織基本一致。同時，復查該批次螺栓的入廠復驗報告，其力學性能(抗拉強度、抗剪強度)指標均滿足相關技術要求。由此可以排除螺栓因材料問題導致過載斷裂的可能性。

螺栓從第2～3扣螺牙根部破壞，主要與螺栓在該處的受力狀態有關，特別是螺紋在此處的截面變化引起一定程度的應力集中[6-7]。另外，2個螺栓的斷裂均為單邊線性起源，與受純扭轉作用形成的斷口(純扭轉斷口的棱線呈螺旋形)有所不同，表明其在斷裂時承受了一定的彎曲應力。經裝配現場調查了解，斷裂螺栓裝配位置的操作空間狹小，工人在裝配時無法使用具有定力功能的氣動槍進行裝配，亦沒有力臂長度合適的定力扳手能夠伸入操作空間內進行裝配。因此，工人通常采用普通扳手進行裝配，其施力大小依靠操作者的經驗進行控制。正常裝配時扳手的轉動平面應與螺栓軸線垂直，但受裝配空間所限，實際操作時扳手的轉動平面易發生傾轉，從而在螺栓上形成彎曲應力，再加之螺紋部位的應力集中效應，使得螺栓發生過載斷裂。

3 結論及建議

該鈦合金高鎖螺栓的斷裂模式為單邊彎曲應力造成的過載斷裂。螺栓的冶金質量正常，力學性能指標符合技術要求，斷裂與原材料本身無關。

基于對裝配環境的調查，建議改進裝配工具，避免裝配時產生彎曲應力。