30CrMnSiA 螺栓腐蝕后的疲勞力學性能研究

柳星，譚陽露，趙連紅，張紅飛

（1.中國特種飛行器研究所 結構腐蝕防護與控制航空科技重點實驗室，荊門 448035；2.中南民族大學，化學與材料科學學院，武漢 430074）

引言

螺栓作為飛機結構中傳遞力作用的重要組成單元，其安全性能對于飛機整體結構的可靠性具有重要影響。螺栓在實際工作狀態下常隨著飛機部件一起承受疲勞載荷作用，螺栓的疲勞損傷將逐漸累積，而隨著服役時間的增長，螺栓又不可避免的產生腐蝕，腐蝕引起的局部應力增大加速了螺栓的疲勞失效過程，因此在研究螺栓的可靠性時，將腐蝕破壞與疲勞失效綜合考慮就顯得尤為重要。

螺栓作為飛機結構的重要連接件，國內外專家學者對其進行了廣泛的研究。在材質方面，已有對20MnTiB、35VB、42CrMoA 高強螺栓斷裂失效性分析的研究報道。王天宰[1]對35VB 鋼制成的10.9 級M27 螺栓在潮濕空氣中發生延滯斷裂的可靠性進行了分析與探討。張鵬飛[2]對45 鋼和20MnTiB 鋼經調質后，進行了組織及性能的對比，研究了其力學、防腐及疲勞性能的差異。胡杰[3]等對20MnTiB 鋼制成的10.9 級M24 已失效高強螺栓的斷裂原因進行了檢驗分析。邱萍[4]等對304 不銹鋼螺栓進行了海洋腐蝕環境與淡水腐蝕環境的腐蝕行為對比研究分析，結果表明304 不銹鋼在海水環境種的腐蝕速率大大超過了淡水環境，大約是淡水環境中的2 倍。關于實際應用環境的腐蝕狀況對螺栓的影響研究較少。在螺栓的腐蝕研究方面，尤其是腐蝕后的疲勞性能，也是在設計使用過程中需要重點考慮的問題之一。Barsom[5]通過數據分析，發現腐蝕后試件的疲勞壽命會顯著降低，這是因為腐蝕后試驗件表面常產生局部破壞缺陷，在外界載荷的進一步作用下，更容易導致局部應力集中引發材料進一步破壞。Lachowicz[6]等通過金相檢驗的方法對高強度螺栓腐蝕疲勞性能進行評價，發現循環疲勞荷載和腐蝕環境的共同作用是導致高強度螺栓疲勞破壞的原因。文娟[7]等針對朝天門大橋脫落斷裂的高強度螺栓進行了疲勞性能研究，發現高強度螺栓的斷裂失效與大氣腐蝕環境有關。鄭凱峰和張宇等[8,9]利用中性鹽霧干濕循環腐蝕試驗方法，進行了HPS485W 和Q345CNH 的加速腐蝕試驗和疲勞性能測試試驗，試驗結果發現耐候鋼和高強鋼在腐蝕后，鋼材在外界腐蝕環境作用下，表面產生了很多蝕坑，而疲勞裂紋都優先出現在蝕坑位置。腐蝕蝕坑的存在降低了材料的疲勞性能，降低的程度又會受到周多因素的影響，比如腐蝕環境、材料特性、實際工作狀態[10]等。

到目前為止，已有很多關于螺栓材料、性能方面的研究，但是對應用方面的研究很少。比如對螺栓作為結構的連接節點方面的研究，數量十分有限，因此應該增加對螺栓應用實例方面的研究。本文從30CrMnSiA 螺栓實際應用狀態出發設計了螺栓陪試件，連同陪試件一起進行了加速腐蝕試驗，并且分析了腐蝕后螺栓的疲勞力學性能，這對于螺栓的實際應用具有重要意義。

1 螺栓加速腐蝕試驗

1.1 螺栓技術狀態

采用貴州航銳公司生產的HB1-106-8×82×3.5 鋼制螺栓（30CrMnSiA），螺栓實際狀態如圖1 所示。為了模擬螺栓實際工作狀態需要在螺栓上額外添加陪試件，陪試件與試驗件的安裝方式及選材與飛機狀態一致，試驗件支持分為無預應力狀態和有預應力狀態，飛機無預應力狀態模擬飛機停放狀態試驗件情況，有預應力狀態模擬飛機受載狀態時試驗件情況，飛機工作時螺栓試驗件只承受剪切載荷，單個螺栓試驗件所受剪切力為15 200 N，因此經過計算需要在有預應力狀態時對單個螺栓施加15.2 N·m 的擰緊力矩。陪試件詳細信息見表1，技術狀態如圖2 所示。

表1 試驗件技術狀態

圖1 螺栓外觀圖

圖2 陪試件技術狀態圖

1.2 加速腐蝕試驗

腐蝕環境試驗主要包括濕熱暴露試驗、鹽霧試驗兩部分。

濕熱暴露試驗相對濕度控制為（95±2）%，溫度為（43±2）℃，暴露時間為7.5 d（180 h）；

鹽霧試驗包括中性鹽霧試驗和酸性鹽霧試驗，中性鹽霧為5%的NaCl 溶液，鹽霧沉降量為（1.0～2.0）mL/（80 cm2·h），試驗時間5 d。酸性鹽霧為在5 %的NaCl 溶液中加入H2SO4，使溶液pH=4.0±0.2，試驗試件1 d（24 h），溫度為（45±2）℃。

1.3 疲勞試驗

采用疲勞試驗機（LandMark-250）進行螺栓的疲勞試驗，加載波形為正弦波，設置最大加載力為15 200 N，應力比為0.06，疲勞加載頻率為10 Hz，每一年日歷期的疲勞循環次數為5 000 次。

1.4 剪切試驗

采用疲勞試驗機（LandMark-250）進行螺栓的剪切試驗，試驗加載速率為70 kN/min，剪切至螺栓斷裂為止。

式中：

F合—螺栓剪切破壞時的最大載荷；

F1—單個截面承受的剪切力；

S—螺栓截面面積；

σ—螺栓單個截面上的剪切應力。

1.5 螺栓表面銹層宏觀形貌分析

采用目視檢查的方法對螺栓表面宏觀形貌進行檢查分析，并使用數碼相機進行拍照記錄。

1.6 螺栓表面銹層微觀形貌分析

使用科視達體式顯微鏡（KH-7700）在不同放大倍數下對螺栓表面腐蝕形態進行拍照記錄。

2 結果與討論：

2.1 螺栓表面宏觀形貌分析

對無預應力螺栓進行目視檢查，并且使用數碼相機對螺栓的表面進行拍照記錄。經過1 年日歷期的腐蝕環境試驗后，無預應力螺栓表面情況如圖3（a）所示。經過濕熱暴露與鹽霧環境試驗后，無預應力螺栓表面發生了明顯的銹蝕情況，此時無預應力螺栓表面呈現明顯凹凸不平狀態，螺栓暴露部位出現大面積銹蝕現象；無預應力螺栓經過2 年日歷期的腐蝕環境試驗后，螺栓表面情況如圖3（b）所示。無預應力螺栓表面銹蝕情況更加嚴重，銹蝕區域進一步擴大，幾乎覆蓋整個裸露部位，螺栓表面出現金屬層脫落現象；無預應力螺栓經過3 年日歷期的環境試驗后，無預應力螺栓表面情況如圖3（c）所示。無預應力螺栓表面銹蝕情況進一步加重，無預應力螺栓暴露部分被銹跡完全包裹，金屬表層發生脫落。試件主要在酸性鹽霧環境下腐蝕，鹽霧均勻地落在試件表面，試件被全面腐蝕，銹層表面整體呈黃褐色，螺栓表面大面積起皮、部分位置有裂縫，鼓泡較多且隨著環境日歷期的增加而增大。外部銹層呈片狀大塊脫落，表面銹層脫落后內部銹層呈現褐色，部分位置為黑色，黑色銹層與未腐蝕的螺栓材料貼合更緊。

圖3 環境試驗后無預應力螺栓外觀圖

經過1 年日歷期環境試驗后，有預應力螺栓表面情況如圖4（a）所示。經過濕熱暴露試驗與鹽霧環境試驗后，有預應力螺栓表層為褐色腐蝕產物，下層為黑色腐蝕產物，此時螺栓表面仍可以觀察到金屬底層。2 年日歷期加速腐蝕環境試驗后，螺栓表面褐色腐蝕產物顏色進一步加深，腐蝕區域的面積進一步擴大。3 年日歷期加速腐蝕環境試驗后，螺栓表面腐蝕產物進一步增多，螺栓外銹層疏松易脫落。有預應力螺栓在環境試驗中同樣主要受鹽霧試驗影響，受濕熱影響較小。螺栓表面圓形鼓泡逐漸增多，面積逐漸增大，表面愈發凹凸不平。在拆除陪試件后，可以看見腐蝕主要發生在中間暴露部分，而在陪試件包裹位置未發生腐蝕，無明顯銹層。

圖4 環境試驗后有預應力螺栓外觀圖

對比分析圖3 與圖4 中螺栓的腐蝕情況，發現兩者情況大致相同，螺栓表面均為褐色腐蝕產物，內部為黑色的腐蝕產物。陪試件的存在于腐蝕環境中對螺栓起到了一定的保護作用，從外觀來看螺栓與陪試件接觸部位均未發生銹蝕。

2.2 螺栓表面微觀形貌分析

使用三維數字顯微鏡對螺栓表面銹蝕區域做進一步觀察記錄。放大倍數為150X，結果如圖5 所示。無預應力螺栓微觀腐蝕形貌與有預應力螺栓相似，1 年日歷期時，螺栓表面銹層顏色較淺；2 年日歷期后，螺栓表面銹層顏色加深，并且銹層開始逐漸連成一小片區域；3 年日歷期后，螺栓表面銹層顏色進一步加深，表面更加凹凸不平，銹層發展成一整片區域。

圖5 環境試驗后螺栓局部微觀圖

實際工作環境中，金屬在大氣環境條件下，其表面會附著一層極薄的水膜，當水膜積累到一定的厚度后，就會構成電化學腐蝕所需的電解液膜，進而誘發產生電化學腐蝕。在鹽霧環境試驗箱中進行鹽霧試驗時，噴霧降落在試件表面形成積液，可以直接對試件造成腐蝕，這也是鹽霧會加速腐蝕進程的原因，而溶液中的H+也會進一步加快腐蝕發生的速率。

由于在螺栓鋼材表面存在電解液膜，以及螺栓鋼材本身的電化學不均勻性，就形成了腐蝕微電池，材料表面受到腐蝕。

在螺栓鋼材表面發生金屬的陽極溶解反應：

而在相鄰的金屬面上，就會發生陰極反應：

隨著Fe3+濃度的增高，與氯離子結合成金屬氯化物發生水解，生成鐵銹：

均勻腐蝕時，金屬表面上發生陽極反應和陰極反應的概率相同，兩種反應的表面位置會不斷的隨機變動。在發生點蝕時，會在點蝕坑底部聚集Fe3+，加快蝕坑內鋼材的腐蝕速度。

2.3 螺栓力學性能

光桿螺栓經過1 年日歷期、2 年日歷期和3 年日歷期環境試驗后，無預應力螺栓剪切強度數據結果如表2所示，有預應力螺栓剪切強度具體數據值見表3。

表2 無預應力螺栓剪切強度數據結果

表3 有預應力螺栓剪切強度數據結果

2.3.1 環境日歷期對力學性能的影響

無預應力螺栓在無疲勞工況下，剪切強度隨環境日歷期的變化關系如圖6 所示，經過3 個周期的腐蝕環境試驗，剪切強度分別為744 MPa、745 MPa、752 MPa、756 MPa，強度數據在初始狀態下最大變化率為1.6 %；5 000 次疲勞工況時，無預應力螺栓在初始狀態和1 年日歷期下的剪切強度分別為746 MPa 和750 MPa，強度數據在初始狀態基礎上改變了0.5 %；10 000 次疲勞工況下，無預應力螺栓在初始狀態和2 年日歷期下的剪切強度分別為744 MPa 和753 MPa，強度數據在初始狀態基礎上改變了1.2 %；15 000 次疲勞工況下，無預應力螺栓在初始狀態和3 年日歷期下的剪切強度分別為748 MPa 和757 MPa，強度數據在初始狀態基礎上改變了1.2 %。

圖6 無預應力螺栓剪切強度隨環境日歷期變化圖

有預應力螺栓在無疲勞工況時，剪切強度隨環境日歷期的變化關系如圖7 所示，1 年日歷期、2 年日歷期、3 年日歷期下的剪切強度分別為748 MPa、753 MPa、757 MPa，在初始狀態的基礎上最大變化率為1.2 %。

圖7 有預應力螺栓剪切強度隨環境日歷期變化圖

數據結果說明，螺栓在疲勞工況相同條件下，剪切力學性能受腐蝕周期變化影響不大，這是因為螺栓受剪切作用部位為非剪切區域，加速腐蝕環境試驗后螺栓腐蝕區域未對鄰近受剪切作用部位造成影響，因此螺栓剪切承載能力與初始狀態相近，無明顯改變。

2.3.2 疲勞循環次數對力學性能的影響

無預應力螺栓初始狀態下，剪切強度隨疲勞循環次數的變化關系如圖8 所示，經過0 次、5 000 次、10 000 次、15 000 次疲勞循環測試，剪切強度分別為744、746、744、748 MPa，強度數據在初始狀態下的最大變化率為0.5 %；1 年日歷期下，無預應力螺栓在0 次和5 000次疲勞工況下的剪切強度分別為746 MPa 和750 MPa，強度變化率為0.5 %；2 年日歷期下，無預應力螺栓在0次和10 000 次疲勞工況下的剪切強度分別為744 MPa 和753 MPa，強度變化率為1.2 %；3 年日歷期下，無預應力螺栓在0 次和15 000 次疲勞工況下的剪切強度分別為748 MPa 和757 MPa，強度變化率為1.2 %。

圖8 無預應力螺栓剪切強度隨疲勞循環次數變化圖

圖9 有預應力螺栓剪切強度隨疲勞循環次數變化圖

有預應力螺栓在1 年日歷期下，剪切強度隨疲勞循環次數的變化關系如9 所示，疲勞循環次數分別為0 次和5 000 次時對應的剪切強度分別為748 MPa 和747 MPa，強度變化率為-0.1 %；有預應力螺栓在2 年日歷期下，疲勞循環次數分別為0 次和10 000 次時對應的剪切強度分別為753 MPa 和750 MPa，強度變化率為-0.3 %；有預應力螺栓在3 年日歷期下，疲勞循環次數分別為0 次和15 000 次時對應的剪切強度分別為757 MPa 和755 MPa，強度變化率為-0.2 %。

數據結果說明，無論飛機處于停放狀態還是實際飛行狀態，螺栓均能夠承載5 000～15 000 次的疲勞循環作用，并且在疲勞試驗之后螺栓承受剪切力作用的能力沒有明顯降低，這也是因為螺栓的腐蝕環境試驗較短，腐蝕破壞區域未對剪切承載位置造成影響，因此疲勞試驗后的剪切強度沒有明顯改變。

4 結論

短時間腐蝕環境日歷期對螺栓剪切力學性能無影響；疲勞循環次數對螺栓剪切力學性能無影響；腐蝕環境對螺栓外觀有顯著影響，對螺栓剪切力學性能無明顯影響；有無預應力對螺栓剪切力學性能無影響。因此，在螺栓的實際工況中，腐蝕環境僅在螺栓裸露部位產生腐蝕作用，而對螺栓實際受剪作用部位不會產生疲勞力學性能的明顯改變。