某型航空鈕子開關(guān)鉚釘斷裂失效分析 及環(huán)境適應性提升

高晶晶，陸楠，夏小春，劉克剛，梅宇飛， 張新健，張艷，杜翠玲

（1.上海航空電器有限公司，上海 201101；2.空裝駐上海地區(qū)第三軍事代表室，上海 201101）

隨著武器裝備電子產(chǎn)品的系統(tǒng)化、集成化程度越來越高，產(chǎn)品系統(tǒng)所用的材料及零部件越來越多。只要其中一個零部件失效就會導致整個產(chǎn)品系統(tǒng)發(fā)生故障，給國家財產(chǎn)和裝備人員的生命安全帶來巨大威脅。研究表明[1-2]，造成產(chǎn)品失效或故障的環(huán)境因素主要有濕度、溫度、局部腐蝕性氣體及沖擊、振動等。產(chǎn)品壽命期內(nèi)，由溫度引起的故障占總故障的20%，由濕度及局部腐蝕性氣體等大氣環(huán)境因素引起的占15%。因此，為了確保武器裝備在壽命期內(nèi)不發(fā)生失效或故障，GJB 8892.14—2017《武器裝備論證通用要求 第14部分：環(huán)境適應性》明確要求武器裝備在研制立項綜合階段即需進行環(huán)境適應性論證，可見武器裝備的環(huán)境適應性與其功能性和可靠性一樣，都是保障質(zhì)量的必備要求。

鉚釘作為一種制造工藝過程簡單、價格低廉并且連接強度穩(wěn)定可靠的緊固件，在武器裝備產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的連接中應用廣泛。其中，航空武器裝備領(lǐng)域使用的金屬鉚釘材質(zhì)種類繁多，包括鋁及鋁合金、碳鋼及合金鋼、銅及銅合金、鈦及鈦合金等[3]。其中，銅及銅合金材質(zhì)具有較強的抗大氣腐蝕能力，廣泛應用于航空航天領(lǐng)域[4-5]。

某型航空鈕子開關(guān)在進行環(huán)境適應性試驗——濕熱試驗中，按照GJB 150.9A—2009《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法第9部分：濕熱試驗》的要求試驗10個周期后，開關(guān)中的H62黃銅鉚釘發(fā)生了斷裂。為了保證鈕子開關(guān)在后續(xù)生產(chǎn)、交付各階段的可靠性及適應自然和誘導環(huán)境的能力，對斷裂鉚釘及其所在的鈕子開關(guān)進行了宏觀、微觀形貌及結(jié)構(gòu)表征，全面、系統(tǒng)地分析了其斷裂失效的原因，并對航空領(lǐng)域在科研試制和選用鉚釘及其他武器裝備緊固件時提出了建議和改進措施。

1 斷裂鉚釘及其所在鈕子開關(guān)的理化測試

根據(jù)GJB 150.9A—2009《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法第9部分：濕熱試驗》要求試驗，得到斷裂失效鉚釘及其所在鈕子開關(guān)進行濕熱試驗的濕熱循環(huán)控制圖（見圖1）。試驗以24 h為1個循環(huán)周期，進行15個周期，其中每5個循環(huán)周期進行1次性能檢測，檢測在圖1所示的低溫30 ℃的時間段內(nèi)進行。其中，溫度下降期間相對濕度可降至85%，其他時間內(nèi)相對濕度應保持為（95±5）%。

圖1 濕熱循環(huán)控制 Fig.1 Humidity and heat cycle control diagram

1.1 宏觀形貌分析

斷裂鉚釘?shù)拟o子開關(guān)如圖2所示。可以看到，鉚釘安裝在開關(guān)殼體中，處于受拉狀態(tài)，鉚釘從殼體中彈起。卸下鉚釘后發(fā)現(xiàn)鉚釘根部斷裂，并且靠近根部區(qū)域發(fā)黑，如圖3所示。采用工業(yè)CT（YXLON, Y. Cougar）對其進行X射線透視成像，可以看到鉚釘?shù)臄嗔盐恢梦挥陂_關(guān)底部，如圖4中虛線框所示。

圖2 某型航空鈕子開關(guān)濕熱試驗后宏觀照片 Fig.2 Appearance of the toggle switch after humidity-heat test

圖3 斷裂鉚釘及其所在鈕子開關(guān)宏觀照片 Fig.3 appearance of the fractured rivet and the toggle switch

圖4 斷裂鉚釘及其所在鈕子開關(guān)X射線透視圖 Fig.4 X-ray perspective view of the fractured rivet and the toggle switch

1.2 化學成分分析

采用電感耦合等離子原子發(fā)射光譜儀（ICP-OES, Agilent 5100）對失效鉚釘?shù)幕倪M行化學成分檢測，結(jié)果見表1。可以看到，鉚釘?shù)某煞址螱B/T 5231—2012《加工銅及銅合金牌號和化學成分》中黃銅牌號H62的成分要求，雜質(zhì)含量均比較低。因此可以排除由化學成分不合格引起鉚釘斷裂失效的可能。

表1 斷裂鉚釘化學成分檢測結(jié)果 Tab.1 Chemical composition of the fractured rivet

1.3 鉚釘斷口宏觀分析

鉚釘斷裂處橫向形貌和斷口宏觀形貌如圖5所示。從圖4可以看到，鉚釘斷裂位置為墩頭根部，斷口附近存在較多裂紋。從圖5b可以進一步觀察到，失效鉚釘斷口齊平，未見塑性變形痕跡，斷口基本被藍色腐蝕產(chǎn)物覆蓋，斷口部分區(qū)域有泛光的液態(tài)物質(zhì)存在。結(jié)合鉚釘?shù)氖褂霉r可知，鉚釘?shù)臄嗔褳榇嘈詳嗔裑6]。

圖5 斷裂鉚釘宏觀形貌 Fig.5 Macro morphology of the fractured rivet: a) transverse morphology of the fracture; b) macro morphology of the fracture

1.4 鉚釘斷口顯微分析

鉚釘斷口微觀形貌如圖6所示。從圖6a可以看到，裂紋從鉚釘外表面萌生，向鉚釘內(nèi)部擴展，斷口呈解理斷裂的典型扇形花樣（如圖6b所示）。局部放大后可以看到斷口微區(qū)具有明顯的解理臺階，臺階周圍分布著大量的顆粒狀腐蝕產(chǎn)物（如圖6b所示），說明鉚釘在腐蝕介質(zhì)的作用下產(chǎn)生了解理斷裂[7]。

1.5 鉚釘斷口成分分析

采用場發(fā)射掃描電鏡能譜儀（SEM&EDS SUPRA 55VP&APOLLO X）對鉚釘斷口（如圖6b所示）進行成分分析，如圖7所示。可以看到，斷口主要由C、O、Cu、Zn 4種元素組成，而正常的H62黃銅為銅鋅合金，其元素組成見表1，經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)斷口表面碳、氧元素含量明顯升高，銅、鋅元素含量明顯降低，說明鉚釘在斷裂前發(fā)生了腐蝕氧化，這也進一步印證了上述中鉚釘是在腐蝕介質(zhì)的作用下產(chǎn)生斷裂。

圖6 鉚釘斷口顯微形貌 Fig.6 Micro morphology of the fracture

圖7 斷裂鉚釘斷口能譜分析 Fig.7 EDS analysis of fracture area of the rivet

1.6 斷裂鉚釘?shù)慕鹣喾治?/h3>

采用金相顯微鏡（LV150）對斷口組織進行分析，如圖8所示。可以看到，鉚釘斷口組織由α+β相組成，其中淺色基體相為α相，分散在其中的深色相為β相。同時，α相內(nèi)存在退火孿晶，晶粒較大，而β相則沿軸向分布在α相晶界處。根據(jù)JB/T 5108—91《鑄造黃銅金相》標準，該金相符合要求，因此可以排除由金相不合格引起鉚釘斷裂的可能。進一步觀察發(fā)現(xiàn)，斷口附近還存在明顯的二次穿晶裂紋，這是應力腐蝕斷口的典型顯微形貌特征之一。

圖8 斷裂鉚釘斷口處金相組織 Fig.8 Metallographic structure of fracture area of the rivet

1.7 殼體成分分析

1.7.1 紅外光譜分析

由上文分析可排除由鉚釘材質(zhì)和金相組織不合格引起的鉚釘斷裂失效，因此需要進一步對鉚釘所在殼體進行排查。采用紅外顯微光譜分析儀（Tesor27& HYPERIONTM2000）對與鉚釘斷裂位置相接觸的鈕子開關(guān)下殼體進行紅外光譜分析，如圖9所示。可以看到，下殼體的主要成分為酚醛樹脂，酚醛樹脂在特定的條件下會釋放氨。

圖9 鈕子開關(guān)下殼體紅外光譜 Fig.9 Infrared spectral analysis of the lower housing of the toggle switch

1.7.2 殼體離子色譜分析

采用離子色譜儀（ICS1600）進一步檢測下殼體在濕熱試驗中產(chǎn)生的陽離子種類及濃度，結(jié)果見表2。為了對比，將殼體在常規(guī)儲存狀態(tài)（25 ℃，相對濕度65%）下產(chǎn)生的陽離子種類及濃度列于表中。可以看到，殼體在濕熱試驗前后均會產(chǎn)生NH4+、Na+、K+、Mg2+及Ca2+五種陽離子。陽離子主要來源于殼體中酚醛樹脂的改性劑和填料。殼體經(jīng)濕熱試驗后，NH4+濃度為529.41 mol/L，約為常溫狀態(tài)下（5.42 mol/L）的100倍，說明在濕熱試驗時，殼體會產(chǎn)生大量的NH4+。大量研究表明[8-12]，氨水溶液會使黃銅產(chǎn)生應力腐蝕開裂（SCC）。因此，此處殼體中析出的NH4+可能是使黃銅鉚釘斷裂失效的原因之一。

表2 殼體中析出陽離子檢測結(jié)果 Tab.2 Precipitated cationic detection results of the housing mol/L

1.7.3 鉚釘靜平衡狀態(tài)應力分析

采用ANSYS有限元仿真分析，分析鉚釘在該型鈕子開關(guān)中靜平衡狀態(tài)時所受應力情況，如圖10所示。可以看到，當鈕子開關(guān)系統(tǒng)處于靜平衡狀態(tài)時，鉚釘應力最大位置在墩頭部位，為132.79 N，這與實際斷裂位置一致（圖10中所示）。

圖10 鉚釘靜平衡狀態(tài)有限元仿真應力分析 Fig.10 Finite element stress analysis of the rivet in static equilibrium

2 討論與分析

黃銅鉚釘材質(zhì)化學成分合格，金相組織正常，是符合GB/T 5231要求的H62黃銅。斷口分析結(jié)果顯示斷口表面覆蓋大量腐蝕產(chǎn)物，斷口平整，具有明顯扇形花樣和解理臺階，為脆性解理斷裂。以上特征均符合應力腐蝕開裂的顯微形貌特征[13]。

SCC產(chǎn)生的3個必要條件為：拉應力、金屬的敏感性和特定的腐蝕環(huán)境[14]。鉚釘裝配到開關(guān)后處于拉應力狀態(tài)，具備應力腐蝕的第一個條件。

黃銅在大氣中具有良好的耐蝕性[13]，但同時具有較強的應力腐蝕敏感性，并且黃銅的含Zn量越高，SCC性越高，尤其是H70、H68、H62、H59這些Zn含量高的黃銅更容易引起SCC。此時，黃銅鉚釘原材料具備發(fā)生應力腐蝕的第二個條件。

研究表明，使黃銅產(chǎn)生SCC最嚴重的腐蝕介質(zhì)是NH3[6]。當黃銅置于潮濕的NH3環(huán)境中，黃銅表面會首先生成晦暗膜（tarnish，Cu2O為主的黑色氧化膜[12]），然后，Cu2O會進一步與空氣中的氧氣和介質(zhì)中的NH4+發(fā)生反應[9-12]：

式（1）中形成的遇到空氣會立即氧化成藍色的，見式（2）：

同時，黃銅在氨水溶液中，還會發(fā)生陽極溶解反應（即黃銅脫鋅反應）[15]，如式（3）—（4）：

式（1）—（4）中，氧化膜Cu2O和 Cu(NH3)+2、Zn(NH3)24+質(zhì)脆，會在黃銅表面形成疏松膜層。當黃銅持續(xù)受拉應力時，膜層不斷破裂和脫落（即黃銅脫鋅），最終導致黃銅制件應力腐蝕開裂[16]甚至失效。

黃銅鉚釘材質(zhì)H62含有35%左右的鋅。黃銅鉚釘處于含有氨氣氛圍的潮濕環(huán)境中時就具備了發(fā)生應力腐蝕的第三個條件，發(fā)生公式（1）—（4）的化學反應，最終導致應力腐蝕。

表2離子色譜陽離子檢測結(jié)果顯示，殼體在濕熱試驗時NH4+濃度達529.41 mol/L。進一步排查開關(guān)殼體生產(chǎn)的各環(huán)節(jié)，發(fā)現(xiàn)在酚醛樹脂原料中含有六次甲基四胺，六次甲基四胺是絕大多數(shù)酚醛樹脂原料中不可缺少的添加物，其作用是提升固化速率。六次甲基四胺在殼體成型過程中，不僅會分解出氨氣，而且還會產(chǎn)生游離氨殘存于殼體中。因此在濕熱環(huán)境下，黃銅鉚釘具備了發(fā)生應力腐蝕的第三個條件。

綜上分析，黃銅鉚釘斷裂失效的原因如下：黃銅鉚釘處于95%的濕度和30～60 ℃的熱交變循環(huán)濕熱試驗中，酚醛殼體受熱后不斷釋放氨氣，部分氨氣與鉚釘表面的水汽結(jié)合，生成腐蝕介質(zhì)——氨水，氨水與受拉應力的黃銅鉚釘發(fā)生式（1）—（4）的化學反應，最終導致黃銅鉚釘在15個濕熱試驗周期后發(fā)生斷裂失效。

3 結(jié)論與建議

該航空鈕子開關(guān)中黃銅鉚釘斷裂是在濕熱環(huán)境誘導下發(fā)生的應力腐蝕斷裂。機理過程為：開關(guān)殼體在高溫高濕環(huán)境下釋放的氨氣與H62黃銅鉚釘發(fā)生了化學反應，使鉚釘表面生成晦暗膜和脫鋅疏松層。由于拉應力的存在，膜層不斷破裂，脫鋅層不斷增長，最終導致鉚釘發(fā)生應力腐蝕斷裂。

應力腐蝕斷裂是一種具有突發(fā)性、不可預測性的脆性破壞，會對產(chǎn)品乃至航空飛行器的安全運行造成災難性的破壞[17-18]。因此，為了提升航空飛行器和其他武器裝備系統(tǒng)的環(huán)境適應性，在科研試制和選用鉚釘及其他緊固件時可參考以下建議和措施：

1）在鉚釘表面噴涂長效硬膜水置換型緩蝕劑[19]，通過緩蝕劑滲透將鉚釘表面滯留的水置換出來，并在表面形成防護層，隔絕水汽進入鉚接孔或安裝孔內(nèi)。

2）當緊固件材質(zhì)為黃銅材質(zhì)時，可在原料中添加稀土元素抑制脫鋅[20-21]，提升黃銅及其他對氨敏感的銅合金材質(zhì)的抗應力腐蝕能力。

3）將黃銅鉚釘鄰近殼體材料換成無氨的酚醛模塑料，以去除氨的來源。同時，當航空或武器裝備緊固件鄰近的部件為樹脂材質(zhì)時，盡量選擇原材料加工及生產(chǎn)過程中不引入氨的材料。