摘 要:某型直升機(jī)固定尾減速機(jī)鈦合金內(nèi)側(cè)壓板的3件35Ni4Cr2MoA鋼連接螺栓在試車時(shí) 發(fā)生了斷裂。通過宏觀觀察、斷口分析、金相檢驗(yàn)、力學(xué)性能試驗(yàn)和氫含量測試等方法,分析了連接 螺栓的斷裂原因。結(jié)果表明:連接螺栓的失效模式為疲勞斷裂,壓板孔壁與螺栓桿部的局部擠壓損 傷形成了疲勞裂紋源,試車過程中裂紋不斷擴(kuò)展,最終導(dǎo)致了連接螺栓的斷裂。

關(guān)鍵詞:連接螺栓;疲勞斷裂;局部擠壓;疲勞裂紋源

中圖分類號(hào):TG115.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):1001-4012(2021)10-0051-04

35Ni4Cr2MoA鋼作為一種超高強(qiáng)度合金鋼在 航空工業(yè)領(lǐng)域中有重要作用[1]。該鋼中的合金元素 鎳、鉻、鉬 使 鋼 的 過 冷 奧 氏 體 穩(wěn) 定、淬 透 性 好。 35Ni4Cr2MoA鋼主要用于制造承受疲勞載荷的關(guān) 鍵部件,如重要軸類、對接接頭、螺栓及飛機(jī)起落 架等[2-5]。

某型號(hào)直升機(jī)尾減速器內(nèi)側(cè)鈦合金側(cè)壓板在試 車時(shí),3件特制高強(qiáng)度連接螺栓發(fā)生了斷裂,該螺栓 的制造工藝流程:下料→鐓頭→熱處理(鹽浴淬火+ 回火)→車削→滾壓螺紋→磨削→探傷→清洗→鍍 鉻→包裝。螺栓強(qiáng)度要求為1760~2010MPa,硬 度要求為48~55HRC,試驗(yàn)安裝力矩為50N·m。 試驗(yàn)前內(nèi)側(cè)壓板部件如圖1所示,螺栓對稱布置于 內(nèi)側(cè)壓板上,內(nèi)側(cè)壓板整體受力狀況見表1。繞z 軸旋轉(zhuǎn)的彎矩和繞z 軸旋轉(zhuǎn)的剪切力作用疊加,當(dāng) 旋轉(zhuǎn)至120°相位時(shí),z軸扭矩最大。

筆者將螺栓殘件帶回,進(jìn)行了一系列檢驗(yàn)和分 析,并且追溯了生產(chǎn)檔案,旨在對該批次螺栓斷裂事 故進(jìn)行原因分析并提出有效的改進(jìn)和預(yù)防措施。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

為了便于分析,將斷裂螺栓編號(hào)為1~3號(hào)。斷 裂螺栓的外觀形貌如圖2所示,3件螺栓均斷裂于 光桿部位。由圖2可知,螺栓斷面潔凈,未見氧化、 腐蝕跡象,根據(jù)放射狀裂紋收斂方向可判斷裂紋源 均位于螺桿表面,其中1號(hào)和2號(hào)斷裂螺栓的裂紋 源區(qū)附近可見明顯的弧形擴(kuò)展特征。1號(hào)和2號(hào)斷 裂螺栓的斷面平坦、顏色發(fā)暗,整體表現(xiàn)為疲勞斷 裂。3號(hào)斷裂螺栓的斷面亦平坦,斷裂源區(qū)位于剪 切唇對面,同樣表現(xiàn)為疲勞斷裂。

將上述3件斷裂螺栓的裂紋源置于體視顯微鏡 下進(jìn)行觀察,如圖3所示,可見裂紋源處的螺栓表面 鍍鉻層均有明顯的擠壓損傷痕跡。

1.2 斷口分析

鑒于3件螺栓斷口形貌類似,因此取1號(hào)斷裂 螺栓采 用 無 水 乙 醇 超 聲 清 洗 后 置 于 掃 描 電 鏡 (SEM)下進(jìn)行觀察,如圖4所示?？梢娏鸭y源區(qū) 附近弧形擴(kuò)展特征明顯,這與宏觀形貌一致,放大 形貌顯示裂紋源區(qū)位于螺桿表面鍍鉻層處,鍍鉻 層擠壓損傷嚴(yán)重,呈壓潰狀。斷口以壓潰處為源, 發(fā)生多源疲勞斷裂。裂紋擴(kuò)展區(qū)呈沿晶斷裂形 貌,晶界可見雞爪形態(tài)的撕裂棱。瞬斷區(qū)(剪切唇 區(qū))呈韌窩形貌,邊緣鍍鉻層發(fā)生脆斷。

1.3 金相檢驗(yàn)

在螺栓斷口附近取金相試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn), 如圖5所示?？梢姅嗔崖菟ǖ娘@微組織以均勻分 布的 板 條 狀 回 火 馬 氏 體 為 主,奧 氏 體 晶 粒 度 約8級。

1.4 力學(xué)性能試驗(yàn)

依據(jù)GB/T2975-2018《鋼及鋼產(chǎn)品 力學(xué)性能 試驗(yàn)取樣位置及試樣制備》,在斷裂螺栓上制取拉伸 試樣和硬度試樣進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn),結(jié)果見表2,可 見其力學(xué)性能均滿足技術(shù)要求。

1.5 氫含量測試

在斷裂螺栓上取樣進(jìn)行氫含量測試,結(jié)果見表 3,可見斷裂螺栓的氫含量符合設(shè)計(jì)要求。

2 分析與討論

根據(jù)上述理化檢驗(yàn)結(jié)果可知,3件斷裂螺栓的力學(xué)性能和氫含量均符合設(shè)計(jì)要求,顯微組織無異 常。螺栓的斷裂性質(zhì)為多源疲勞斷裂,疲勞源均位 于螺桿表面鍍鉻層被壓潰處。

通常,工程上把零件材料的表面狀態(tài)劃分為3 個(gè)方面:表面應(yīng)力狀態(tài)、表面組織結(jié)構(gòu)和表面粗糙 度[11]。這3個(gè)方面常有機(jī)聯(lián)系在一起,共同作用, 難以分割。該斷裂螺栓表面采用鍍鉻處理,表面硬 度較高,可有效提高螺栓的疲勞強(qiáng)度;但螺栓與壓板 內(nèi)孔采用過渡配合方式,服役過程中可能導(dǎo)致二者 之間相互擠壓,產(chǎn)生局部應(yīng)力集中,甚至鍍鉻層被壓 潰;鍍層破損后,表面粗糙度顯著增大,相同的應(yīng)力 水平下,零件的疲勞壽命隨著表面粗糙度的增加而 降低,對于高強(qiáng)度、低韌性的材料,粗糙度的影響更 為明顯[12]。因此,螺桿表面鍍層被壓潰后造成結(jié)構(gòu) 損傷,再加上螺桿高強(qiáng)度的特性,使得疲勞性能大幅 下降,最終發(fā)生早期疲勞斷裂。

3 結(jié)論及建議

連接螺栓的失效模式為疲勞斷裂。造成螺栓發(fā) 生早期斷裂的原因主要是螺栓與壓板內(nèi)孔配合方式 設(shè)計(jì)不合理,服役過程中二者相互干涉,造成螺桿表 面鍍鉻層破損,顯著降低了螺栓的疲勞性能。

建議優(yōu)化螺栓與壓板內(nèi)孔的連接方式,適當(dāng)降 低螺栓基體強(qiáng)度。

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<文章來源> 材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗(yàn)－物理分冊 > 57卷 > 10期 (pp:51-54)>