7075-T73鋁合金高鎖螺母斷裂原因

何 軍, 李鈞甫, 丁亞紅, 羅 慶, 譚 瑤, 李夏雯

(航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司， 成都 610091)

7075鋁合金是最早用于航空工業(yè)且至今仍被廣泛使用的一種超高強(qiáng)度鋁合金。該類合金屬于Al-Zn-Mg-Cu系的可熱處理合金，以鋅為主要合金元素，因鋅元素在鋁合金中有較高的固溶度，使得鋁合金經(jīng)固溶時(shí)效后可獲得較高的強(qiáng)度。7075鋁合金常用的熱處理狀態(tài)有T6，T73，T76和T74，與T6工藝比較，T73作為一種過(guò)時(shí)效熱處理工藝，可使經(jīng)過(guò)時(shí)效后的合金具有較高的斷裂韌度和優(yōu)良的耐應(yīng)力腐蝕及耐剝落腐蝕性能，可滿足航空制造的要求，因此T73狀態(tài)7075鋁合金被廣泛用于制造對(duì)強(qiáng)度和耐腐蝕性能要求較高的零件，如飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的重要承力件(翼梁、隔框、長(zhǎng)鎖螺母、高鎖螺母)等[1-2]。

某批7075-T73鋁合金高鎖螺母在裝配時(shí)，共計(jì)3 521件中有5件發(fā)生斷裂，且斷裂形式一致，其裝配示意圖如圖1所示。正常裝配時(shí)，螺母六方扳擰面在螺母體擰緊且達(dá)到安裝力矩時(shí)會(huì)在斷頸槽處自動(dòng)斷裂并脫落，此時(shí)螺母承載面與螺栓頭下承載面夾緊且達(dá)到預(yù)緊力，完成裝配。該批斷裂事故發(fā)生在高鎖螺母裝配時(shí)，六方扳擰面尚未擰斷，螺母體即發(fā)生了沿縱向的斷裂，且六方扳擰面出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)的縱向裂紋，如圖2所示。

該零件由根據(jù)美標(biāo)SAE AMS-QQ-A-225-9A：2014AluminumAlloy7075,Bar,Rod,Wire,andSpecialShapes;Rolled,Drawn,orColdFinished采購(gòu)的7075棒料加工而成，狀態(tài)為T(mén)73，無(wú)需熱處理。其主要工藝流程為：車(chē)銑→分光檢測(cè)→收口→挑選→清洗→熒光檢測(cè)→清洗→陽(yáng)極化→涂十六醇→挑選→終檢，其中有色陽(yáng)極化會(huì)使零件表面呈均勻的

圖1 高鎖螺母裝配示意圖Fig.1 Assembly diagram of high lock nut: a) before nut tightening; b) after nut installation

圖2 高鎖螺母斷裂示意圖Fig.2 Fracture diagram of high lock nut

綠色；根據(jù)螺母技術(shù)規(guī)范的要求，經(jīng)抽樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試(預(yù)緊力、擰緊力矩、鎖緊力矩、松脫力矩、抗拉強(qiáng)度)、金相檢驗(yàn)(晶間腐蝕、微觀組織)、不連續(xù)性試驗(yàn)(熒光探傷)等檢驗(yàn)合格后交付裝配使用。

為找到高鎖螺母斷裂的原因，消除質(zhì)量隱患，筆者對(duì)斷裂件進(jìn)行了理化檢驗(yàn)和分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

在體視顯微鏡下觀察斷裂高鎖螺母的宏觀形貌，如圖3所示。可見(jiàn)螺母體完全沿縱向斷裂，斷口平整，無(wú)明顯起伏和塑性變形，斷口無(wú)肉眼可見(jiàn)的缺陷和疲勞弧線，斷口整體沿流線方向呈氧化色，未觀察到表面綠色陽(yáng)極化層滲入的情況，如圖3a)所示；六方扳擰面上可見(jiàn)縱向貫穿性裂紋，未完全斷開(kāi)，如圖3b)所示。

圖3 斷裂高鎖螺母的宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of broken high lock nut: a) overall morphology of broken nut; b) morphology of crack on hexagon wrench face

1.2 掃描電鏡分析

將螺母斷口經(jīng)酒精+超聲波清洗后，在掃描電鏡(SEM)下觀察圖3a)中左側(cè)斷口，低倍下SEM形貌如圖4所示。可見(jiàn)局部新鮮有金屬光澤,沿流線呈氧化色,未見(jiàn)明顯綠色陽(yáng)極化層滲入。放大觀察發(fā)現(xiàn)在螺母體的內(nèi)表面、心部和外表面斷口大部分位置存在導(dǎo)電性較弱的白色物質(zhì)，呈龜裂形貌，其余為韌窩形貌，如圖5所示。

圖4 低倍下螺母斷口整體SEM形貌Fig.4 SEM morphology of the whole fracture of nut at low magnification

圖5 高倍下螺母斷口SEM形貌Fig.5 SEM morphology of nut fracture at high magnification: a) morphology of non-conductive substance and craze; b) morphology of local dimples

1.3 金相檢驗(yàn)

以軸向橫截面為觀察面，在斷裂螺母上取金相試樣并進(jìn)行鑲嵌，按照GB/T 3246.1-2012《變形鋁及鋁合金制品組織檢驗(yàn)方法 第1部分：顯微組織檢驗(yàn)方法》的技術(shù)要求，使用混合酸(HF，HCl，HNO3，H2O的加入量分別為1，1.5，2.5，95 mL)浸蝕15 s后在光學(xué)顯微鏡下觀察，其顯微組織形貌如圖6所示。可見(jiàn)斷口的次外表面存在不規(guī)則的黑色夾雜物，參考GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》的評(píng)定方法對(duì)夾雜物等級(jí)進(jìn)行評(píng)定，結(jié)果大于B3e，超出該標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍。

圖6 螺母斷口附近的顯微組織形貌Fig.6 Microstructure morphology near nut fracture: a) low multiple; b) high multiple

同樣以軸向橫截面為觀察面,制備開(kāi)裂六方扳擰面金相試樣，經(jīng)混合酸浸蝕15 s后在光學(xué)顯微鏡下觀察，可見(jiàn)裂紋附近存在貫穿橫截面的長(zhǎng)條形黑色夾雜物，放大后呈典型的鏈狀不連續(xù)形貌，如圖7所示。對(duì)黑色夾雜物進(jìn)行評(píng)級(jí)，結(jié)果同樣大于B3e，超出GB/T 10561-2005要求的范圍。此外，試樣上除主裂紋外，均未見(jiàn)由表面向內(nèi)部沿晶界擴(kuò)展的二次裂紋；組織正常，未見(jiàn)過(guò)燒形貌。

圖7 六方扳擰面裂紋附近的夾雜物形貌Fig.7 Inclusions morphology near the crack of hexagon wrench face: a) low multiple; b) high multiple

另取一個(gè)裝配未斷裂件和一個(gè)斷裂件的六方扳擰面，按GB/T 7998-2005《鋁合金晶間腐蝕測(cè)定方法》，用溶液(NaCl,H2O2和蒸餾水(或去離子水)的加入量分別為57 g，10 mL，1 L)浸蝕6 h后磨制金相試樣，觀察其顯微組織，可知均無(wú)晶間腐蝕現(xiàn)象。

1.4 能譜分析

使用掃描電鏡附帶的能譜儀對(duì)螺母斷口進(jìn)行能譜(EDS)分析，分析位置如圖5所示，分析結(jié)果如表1所示。可知正常區(qū)域主要含有鋅、鎂和銅元素，為正常的7系列鋁合金；龜裂區(qū)域以及白色物質(zhì)則含有較

表1 螺母斷口能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 EDS analysis results of nut fracture (mass fraction) %

高含量的氧元素以及少量的鉀、鈉、硫和氯元素。

對(duì)六方扳擰面金相試樣的正常位置和黑色夾雜物分別進(jìn)行能譜分析，分析位置及結(jié)果如圖8所示，可知黑色夾雜物元素含量及種類與龜裂區(qū)域的基本一致，均有較高含量的氧元素及少量的鉀和氯等元素。

圖8 六方扳擰面金相試樣EDS分析位置和分析結(jié)果Fig.8 EDS analysis positions and results of metallographic sample of hexagon wrench face: a) analysis position and b) results of normal position; c) analysis position and d) results of black inclusion

1.5 庫(kù)存件復(fù)查

對(duì)供貨廠家的庫(kù)存件進(jìn)行100%熒光滲透檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)部分零件有夾雜物缺陷，缺陷沿軸向呈線性貫穿高鎖螺母，如圖9所示。帶缺陷的高鎖螺母經(jīng)裝配后，在螺母體縱向斷裂，如圖10所示。金相檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其微觀形貌與上述斷裂件的一致，如圖11所示。而無(wú)缺陷顯示正常件的安裝斷裂形式為斷頸槽處自動(dòng)斷裂并脫落，是正常的安裝斷裂，如圖12所示。

圖9 庫(kù)存件熒光滲透檢測(cè)的缺陷顯示形貌Fig.9 Defect display morphology of inventory parts by fluorescent penetrant testing

圖10 缺陷螺母裝配斷裂形貌Fig.10 Assembly fracture morphology of defective nut

圖11 缺陷螺母裂紋附近的微觀形貌Fig.11 Morphology near the crack of defective nut

圖12 無(wú)缺陷顯示庫(kù)存件的裝配斷裂形貌Fig.12 Assembly fracture morphology of inventory parts without defects

2 分析與討論

常見(jiàn)鋁合金的斷裂模式包括疲勞斷裂、大應(yīng)力過(guò)載斷裂、應(yīng)力腐蝕斷裂等[3-8]，不同的斷裂模式有對(duì)應(yīng)的斷裂特征。

通過(guò)對(duì)高鎖螺母的宏觀觀察發(fā)現(xiàn)斷口局部新鮮有金屬光澤,主要沿流線呈氧化色。斷裂件斷口的微觀組織中未見(jiàn)沿晶開(kāi)裂形貌，且是在裝配過(guò)程中發(fā)生的斷裂，可排除零件過(guò)燒導(dǎo)致強(qiáng)度等力學(xué)性能降低的因素，也可排除疲勞斷裂的可能性。7075-T73鋁合金強(qiáng)度高，有較高的應(yīng)力腐蝕敏感性。鋁合金產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂是拉應(yīng)力和腐蝕性環(huán)境共同作用的，開(kāi)裂通常會(huì)在使用一定時(shí)間后才會(huì)產(chǎn)生[9]。由于高鎖螺母的安裝環(huán)境沒(méi)有腐蝕性介質(zhì)，結(jié)合金相檢驗(yàn)的結(jié)果也可以排除應(yīng)力腐蝕導(dǎo)致高鎖螺母斷裂的可能性。

分析正常高鎖螺母裝配時(shí)的受力情況，可知零件正常裝配過(guò)程中是在螺母斷頸槽處斷裂，六方扳擰面部分脫落，且螺母體與其相配合的螺栓緊固在被安裝位置。而斷裂螺母是在斷頸槽未擰斷的情況下發(fā)生縱向斷裂，且在六方扳擰面上看到貫穿性裂紋，同時(shí)根據(jù)庫(kù)存件的復(fù)查結(jié)果，可知部分零件有缺陷熒光顯示，安裝時(shí)發(fā)生非正常縱向斷裂，且缺陷顯示件與裝配斷裂件的斷裂模式及微觀形貌一致。因此判斷該斷裂非安裝人員操作不當(dāng)造成。

SEM分析發(fā)現(xiàn)螺母體斷口的內(nèi)、外表面及心部位置均存在白色不導(dǎo)電物質(zhì)，呈龜裂形貌，在金相檢驗(yàn)中觀察到裂紋附近有黑色夾雜物，對(duì)零件斷裂面的龜裂形貌和金相試樣中的黑色夾雜物進(jìn)行能譜分析，分析結(jié)果一致，均為鋁合金氧化物。鋁合金氧化物夾雜破壞了材料的連續(xù)性，在外載荷作用下，降低了材料的力學(xué)性能，而材料抵抗變形能力的差異會(huì)在兩相界面處產(chǎn)生應(yīng)力集中，發(fā)展成為裂紋源，導(dǎo)致在正常裝配過(guò)程中發(fā)生過(guò)載開(kāi)裂。斷裂面未發(fā)現(xiàn)有綠色陽(yáng)極化層滲入，說(shuō)明高鎖螺母的裂紋是在陽(yáng)極化之后產(chǎn)生的。

根據(jù)文獻(xiàn)[10]可知，鋁合金熔體中常見(jiàn)的固態(tài)夾雜物主要是非金屬物，包括氧化物、碳化物、氮化物、硼化物等。其中常見(jiàn)的氧化物為Al2O3和MgO，常見(jiàn)的氮化物為AlN，常見(jiàn)的硼化物為T(mén)iB2和AlB2，常見(jiàn)的碳化物為Al4C3，根據(jù)它們的生成熱可知Al2O3夾雜是最容易形成的[10]。根據(jù)能譜分析結(jié)果可知斷裂高鎖螺母夾雜物的成分主要是氧元素，由此可判斷該夾雜物為Al2O3。金屬鑄件凝固時(shí)夾雜物會(huì)在鑄件最后的凝固部位聚集，在棒料切尾不足的情況下經(jīng)后續(xù)拉拔會(huì)沿拉拔方向呈片狀殘留在棒料尾部，如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，就易導(dǎo)致后續(xù)使用過(guò)程中零件失效。

通常對(duì)鋁合金的缺陷檢驗(yàn)方法有低倍檢驗(yàn)和超聲波檢驗(yàn)等，這些方法都可以有效檢測(cè)出鋁合金中的夾雜物缺陷。高鎖螺母產(chǎn)品出廠無(wú)損檢測(cè)的熒光滲透方法也是有效檢驗(yàn)表面裂紋缺陷的手段。但上述故障產(chǎn)品已流通到使用方，并對(duì)使用方整體產(chǎn)品的質(zhì)量造成了影響。

據(jù)進(jìn)一步了解，判斷可能存在因該批產(chǎn)品數(shù)量多，在出廠前的熒光滲透無(wú)損檢測(cè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)了漏檢情況。

3 結(jié)論及建議

高鎖螺母裝配斷裂原因?yàn)樵牧现写嬖谘趸X夾雜，在后續(xù)拉拔過(guò)程中沿拉拔方向呈片狀分布，破壞了原材料的連續(xù)性，在外載荷的作用下，會(huì)在兩相界面處產(chǎn)生應(yīng)力集中，形成裂紋源，導(dǎo)致產(chǎn)品在安裝時(shí)發(fā)生斷裂，與產(chǎn)品制造工藝無(wú)關(guān)。

建議對(duì)原材料棒料進(jìn)行超聲波檢驗(yàn)，以便識(shí)別出夾雜物缺陷。同時(shí)嚴(yán)格按照熒光滲透方法進(jìn)行出廠無(wú)損檢測(cè)。必要時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)件制造廠家可在生產(chǎn)制造及產(chǎn)品檢驗(yàn)中增加適當(dāng)?shù)谋O(jiān)控手段和措施，嚴(yán)格保證檢驗(yàn)質(zhì)量，確保產(chǎn)品不會(huì)因各種原因發(fā)生漏檢。