TB8鈦合金高鎖螺栓安裝斷裂原因

許永春, 李祥軍, 李旭健, 孫曉軍, 董晨曦, 周玉寶

(1.河南省緊固連接技術重點實驗室, 信陽 464000；2.河南航天精工制造有限公司, 信陽 464000；3.航天精工股份有限公司, 天津 300304)

TB8鈦合金是一種新型亞穩態β型鈦合金，其具有較好的冷成型性、良好的抗氧化性和耐腐蝕性，及優異的熱穩定性等[1-2]。TB8鈦合金可用于制作對工作溫度要求較高的飛機或發動機結構件等[3]。隨著航空技術的發展，對現代飛機的緊固件連接提出了小質量、高強度、長壽命、易安裝等要求，鈦合金高鎖螺栓具有高強度、小質量、可控預載荷、高疲勞壽命等特點，在航空工業中得到了廣泛應用[4]。

某表面有鋁涂層的TB8鈦合金高鎖螺栓在裝配過程中發生斷裂，筆者采用一系列理化檢驗方法對該高鎖螺栓的斷裂原因進行了分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

斷裂螺栓宏觀形貌如圖1所示，由圖1可知：螺栓斷裂位置為離收尾部位約2扣螺紋處，與斷裂螺栓配套安裝的高鎖螺母外觀較為完好，斷徑槽未被擰斷；螺栓光桿部位表面涂層損傷較為嚴重，螺栓頭下圓角表面鋁涂層局部存在明顯損傷，而相對面圓角鋁涂層較為完好，表明螺栓在安裝過程中存在偏斜。

1.2 斷口分析

將螺栓斷口用無水乙醇和超聲波清洗后，在掃描電鏡(SEM)下進行觀察，斷口的微觀形貌如圖2所示。由圖2可知：高鎖螺栓斷口呈灰色，斷面較為平齊，裂紋源區位于螺紋牙根處，呈線性特征，未見夾雜物、氣孔等缺陷和陳舊性裂紋；整個斷面均呈韌窩形貌。

1.3 金相檢驗

在斷裂螺栓頭下圓角和螺紋處取樣，在光學顯微鏡下觀察，顯微組織形貌如圖3所示。由圖3可知：頭下圓角和螺紋金屬流線正常，顯微組織為β基體上析出的α強化相，未見過熱、表面污染、磨削燒傷等缺陷；牙頂處存在折疊，深度約為0.08 mm，顯微組織符合技術要求。

1.4 力學性能測試

對同批次未用螺栓進行破壞拉力、雙剪應力及疲勞性能試驗，結果如表1所示。未用螺栓破壞拉力、雙剪應力及疲勞性能試驗結果均大于標準要求，且數據一致性較好。

表1 同批次螺栓力學性能測試結果

對與斷裂螺栓配套安裝的高鎖螺母進行了擰斷力矩、鎖緊力矩、預緊力試驗，結果如表2所示,數據均滿足產品標準要求。

表2 配套高鎖螺母力學性能測試結果

2 綜合分析

該斷裂TB8鈦合金高鎖螺栓頭下圓角處部分涂層可見明顯損傷，另一側涂層完好，表明螺栓在安裝過程中存在偏斜現象；斷口較為平齊，未見陳舊性裂紋，斷口均為韌窩形貌。

由上述分析可知， TB8鈦合金高鎖螺栓斷裂形式為過載，即安裝過程中螺栓所受載荷超出螺栓自身強度。高鎖螺栓和高鎖螺母裝配方式如圖4所示。在安裝時，固定螺栓、旋轉螺母，當斷徑槽被擰斷時，螺母達到最大安裝力矩，同時螺栓所受預緊力也達到最大值。配套高鎖螺母斷徑槽未發生斷裂，表明螺母還未加載到最大扭矩，螺栓就發生了斷裂。由斷裂螺栓頭下圓角和光桿表面涂層損傷痕跡可知：在安裝過程中，螺栓與安裝孔存在不同軸現象。為了進一步驗證安裝不同軸對螺栓破壞拉力的影響，在螺栓頭下放置不同斜度的墊片(見圖5)進行拉伸試驗。試驗方案如表3所示。

表3 放置不同斜度墊片拉伸試驗方案

試驗方法依據GJB 715.23A—2008 《緊固件試驗方法 拉伸強度》，拉力與斜度的關系如圖6所示。由圖6可知：隨著墊片斜度的不斷增加，拉力逐漸降低，當斜度增加至6°時，螺栓破壞拉力均小于標準值，其中1件螺栓的破壞拉力已經接近螺母預緊力下限；當斜度增至8°時，除破壞拉力小于標準值外，其中1件螺栓的破壞拉力甚至小于螺母最小預緊力的要求。

由于螺栓與安裝孔不同軸，并且隨著斜度的增加，螺栓所承受的破壞拉力急劇降低。螺栓在安裝過程中除受扭拉載荷外，還承受一定的彎矩[5]。當擰緊力矩逐漸增大到預緊力，且超出螺栓所承受的最大載荷時，與結構鋼、不銹鋼和高溫合金相比，鈦合金對表面缺陷具有更大的敏感性[6]，當高強度螺栓受拉力時，螺紋可以看作缺口，因此在螺紋根部會產生高應力集中[7]，造成螺紋處最大受力部位斷裂，而此時扭矩還未達到使高鎖螺母斷徑槽扭斷的最大力矩。螺栓斷裂位置為離螺紋收尾處約2扣螺紋處，此處有一定程度的應力集中[8]。在實際裝配過程中，由于結構限制，在一些邊角處用常規工具難以保證制孔質量[9]，應定制開發新型制孔及安裝工具，以保證螺栓的正確裝配。

3 結論及建議

(1) 該螺栓斷裂形式為過載。螺栓無冶金缺陷，力學性能符合技術要求；在安裝過程中,存在螺栓與安裝孔不同軸現象，使螺栓受額外彎曲應力，導致螺栓軸向承載能力下降。

(2) 對結構受限而導致安裝孔難加工及緊固件難安裝的問題，應開發新型制孔工具和安裝工具，以提升緊固件的安裝質量。