某型飛機(jī)的螺栓斷裂分析

卞超群 賈義政 歐陽康

0 序言

航空產(chǎn)品修理過程中經(jīng)常出現(xiàn)的機(jī)械故障為裂紋、斷裂和腐蝕等，文章主要內(nèi)容為螺栓的斷裂整個溯源過程及后續(xù)驗(yàn)證改進(jìn)。

根據(jù)資料得知，該螺栓的材料牌號為0Cr16Ni6，表面處理狀態(tài)為化學(xué)鈍化。螺栓的原始完好狀態(tài)如圖1 所示。

圖1 螺栓的原始完好狀態(tài)

對斷裂螺栓進(jìn)行了宏觀觀察、端口宏觀微觀分析、金相觀察、硬度分析，查找螺栓斷裂原因。

1 宏觀觀察

對斷裂螺栓進(jìn)行宏觀觀察，見圖2，結(jié)合圖1 固定裝置中螺栓位置可知斷裂螺栓位于固定裝置做外層，螺栓斷裂在固定裝置孔位置附近。同時，螺紋位置是使用焊接的方式將螺栓及螺母融為一體，呈圓頭狀，防止螺栓松脫。

圖2 螺栓宏觀形貌

在體式顯微鏡下觀察螺栓斷面，可以看出螺栓整個斷口斷面平坦，起伏較小，有許多取向不同、比較平滑的小平面，邊緣位置可見磨損痕跡。

圖3 螺栓斷面形貌

2 斷口微觀分析

用掃描電阻顯微鏡對斷面進(jìn)行微觀分析，見圖4。從圖中可以看出，整個斷面呈沿晶形貌，部分位置可見摩擦痕跡。同時，表面附著一層細(xì)密氧化層及腐蝕物。

圖4 斷面低倍形貌

3 金相分析

截取螺栓斷面位置以及遠(yuǎn)離斷面位置，制樣腐蝕后進(jìn)行金相分析，見圖5、6。從圖中可以看出，斷口位置及遠(yuǎn)離斷口位置金相組織均為馬氏體+δ 鐵素體+殘余奧氏體，晶粒度評級為3 級。

圖5 斷口位置金相組織

圖6 遠(yuǎn)離斷口位置金相組織

由于該螺栓使用焊接方式將螺栓及螺母融為一體，為了解螺栓原始的金相組織，選取另一批次未經(jīng)焊接的螺栓制作金相樣品并分析，件圖7。金相組織為馬氏體+δ 鐵素體+殘余奧氏體，晶粒度評級為7 級。

圖7 金相組織

4 能譜分析

使用能譜儀對斷面進(jìn)行微區(qū)成分分析。從圖表中可見，斷面除含F(xiàn)e、Cr 等元素外，還含有較高的Pb 元素，推斷在焊接過程中，斷面位置可能出現(xiàn)焊料元素。

5 硬度分析

使用顯微硬度計對金相試驗(yàn)進(jìn)行硬度試驗(yàn)，結(jié)果見表1。通過表1 可以看出，斷裂螺栓抗拉強(qiáng)度值區(qū)間，原始螺栓的抗拉強(qiáng)度較高，略高于標(biāo)準(zhǔn)值。

圖8 斷面能譜分析

表1 維氏硬度測試結(jié)果

6 分析和結(jié)論

宏微觀特征來看，螺栓斷面整個斷口較為平坦，邊緣磨損，可見取向不同，比較光滑的小刻度。同時，微觀整個斷面呈沿晶形貌，無韌窩特征出現(xiàn)。金相特征來看，斷裂螺栓對比原始狀態(tài)螺栓，晶粒粗大，馬氏體粗大，這使得螺栓的塑性、脆性及沖擊韌性等指標(biāo)下降；同時，由于晶粒粗大，會使晶界強(qiáng)度下降，使斷裂沿晶界展開，造成微觀的沿晶。

從以上現(xiàn)象特征可以推斷，晶粒粗大是導(dǎo)致螺栓受力斷裂的主要原因，而熱處理過程中過熱或在后期焊接過程中溫度過高會導(dǎo)致晶粒粗大，導(dǎo)致易從晶界位置開始斷裂。

7 故障定位及改進(jìn)

對同一批次的螺栓的金相組織及焊接后金相組織進(jìn)行分析，觀察晶粒度的變化情況。經(jīng)過觀察晶粒度的變化情況，確定造成晶粒粗大的原因是由于熱處理過程中溫度過高導(dǎo)致。后續(xù)對熱處理后的同一批次螺栓的金相組織進(jìn)行抽檢。