摘 要:某 TB8鈦合金高鎖螺栓在裝配過(guò)程中發(fā)生斷裂,采用宏觀觀察、斷口分析、金相檢驗(yàn)、 力學(xué)性能測(cè)試等方法對(duì)其斷裂原因進(jìn)行分析,結(jié)果表明:在安裝過(guò)程中,螺栓與安裝孔不同軸,使螺 栓受額外彎曲應(yīng)力,在外加彎曲應(yīng)力和軸向載荷的共同作用下,螺栓發(fā)生過(guò)載斷裂。為了進(jìn)一步 驗(yàn)證螺栓與安裝孔不同軸對(duì)螺栓破壞拉力的影響,設(shè)計(jì)了在螺栓頭下放置不同斜度墊片的拉伸試 驗(yàn)方案,得出隨著斜度的增加,螺栓破壞拉力逐漸降低。

關(guān)鍵詞:高鎖螺栓;斷裂;過(guò)載;力學(xué)性能

中圖分類號(hào):TG115.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):1001-4012(2022)10-0067-04

TB8鈦合金是一種新型亞穩(wěn)態(tài)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(yōu)異的熱穩(wěn)定性等[1-2]。TB8鈦合金可用于制作 對(duì)工作溫度要求較高的飛機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)件等[3]。 隨著航空技術(shù)的發(fā)展,對(duì)現(xiàn)代飛機(jī)的緊固件連接提 出了小質(zhì)量、高強(qiáng)度、長(zhǎng)壽命、易安裝等要求,鈦合金 高鎖螺栓具有高強(qiáng)度、小質(zhì)量、可控預(yù)載荷、高疲勞 壽命等特點(diǎn),在航空工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用[4]。

某表面有鋁涂層的 TB8鈦合金高鎖螺栓在裝 配過(guò)程中發(fā)生斷裂,筆者采用一系列理化檢驗(yàn)方法 對(duì)該高鎖螺栓的斷裂原因進(jìn)行了分析。

1 理化檢驗(yàn)

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(yán) 重,螺栓頭下圓角表面鋁涂層局部存在明顯損傷, 而相對(duì)面圓 角 鋁 涂 層 較 為 完 好,表 明 螺 栓 在 安 裝 過(guò)程中存在偏斜。

1.2 斷口分析

將螺栓斷口用無(wú)水乙醇和超聲波清洗后,在掃 描電鏡(SEM)下進(jìn)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(qū)位于螺紋牙根處,呈線性特征,未見(jiàn) 夾雜物、氣孔等缺陷和陳舊性裂紋;整個(gè)斷面均呈韌 窩形貌。

1.3 金相檢驗(yàn)

在斷裂螺栓頭下圓角和螺紋處取樣,在光學(xué)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(qiáng)化相,未見(jiàn)過(guò)熱、表面污染、磨削燒 傷等缺陷;牙頂處存在折疊,深度約為0.08mm,顯 微組織符合技術(shù)要求。

1.4 力學(xué)性能測(cè)試

對(duì)同批次未用螺栓進(jìn)行破壞拉力、雙剪應(yīng)力及 疲 勞性能試驗(yàn),結(jié)果如表1所示。未用螺栓破壞拉力、雙剪應(yīng)力及疲勞性能試驗(yàn)結(jié)果均大于標(biāo)準(zhǔn)要求, 且數(shù)據(jù)一致性較好。

對(duì)與斷裂螺栓配套安裝的高鎖螺母進(jìn)行了擰斷 力矩、鎖緊力矩、預(yù)緊力試驗(yàn),結(jié)果如表2所示,數(shù)據(jù) 均滿足產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求。

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(jiàn)明顯損傷,另一側(cè)涂層完好,表明螺栓在安 裝過(guò)程中存在偏斜現(xiàn)象;斷口較為平齊,未見(jiàn)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(guò)載,即安裝過(guò)程中螺栓所受載荷超出螺栓自 身強(qiáng)度。高鎖螺栓和高鎖螺母裝配方式如圖 4 所示。在安裝時(shí),固定螺栓、旋轉(zhuǎn)螺母,當(dāng)斷徑槽被擰 斷時(shí),螺母達(dá)到最大安裝力矩,同時(shí)螺栓所受預(yù)緊力 也達(dá)到最大值。配套高鎖螺母斷徑槽未發(fā)生斷裂, 表明螺母還未加載到最大扭矩,螺栓就發(fā)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(guò)程中,螺栓與安裝孔存在不同軸現(xiàn)象。 為了進(jìn)一步驗(yàn)證安裝不同軸對(duì)螺栓破壞拉力的影 響,在螺栓頭下放置不同斜度的墊片(見(jiàn)圖5)進(jìn)行 拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)方案如表3所示。

試驗(yàn)方法依據(jù) GJB715.23A—2008 《緊固件試 驗(yàn)方法 拉伸強(qiáng)度》,拉力與斜度的關(guān)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(dāng)斜度增加至6°時(shí),螺栓破壞拉力均小于標(biāo)準(zhǔn) 值,其中1件螺栓的破壞拉力已經(jīng)接近螺母預(yù)緊力 下限;當(dāng)斜度增至8°時(shí),除破壞拉力小于標(biāo)準(zhǔn)值外, 其中1件螺栓的破壞拉力甚至小于螺母最小預(yù)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(guò)程中除受扭拉載荷外,還承受一定的彎矩[5]。當(dāng) 擰緊力矩逐漸增大到預(yù)緊力,且超出螺栓所承受的 最大載荷時(shí),與結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼和高溫合金相比,鈦 合金對(duì)表面缺陷具有更大的敏感性[6],當(dāng)高強(qiáng)度螺 栓受拉力時(shí),螺紋可以看作缺口,因此在螺紋根部會(huì) 產(chǎn)生高應(yīng)力集中[7],造成螺紋處最大受力部位斷裂, 而此時(shí)扭矩還未達(dá)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(yīng)力集中[8]。在實(shí)際裝配過(guò) 程中,由于結(jié)構(gòu)限制,在一些邊角處用常規(guī)工具難以 保證制孔質(zhì)量[9],應(yīng)定制開(kāi)發(fā)新型制孔及安裝工具, 以保證螺栓的正確裝配。

3 結(jié)論及建議

(1)該螺 栓 斷 裂 形 式 為 過(guò) 載。螺 栓 無(wú) 冶 金 缺 陷,力學(xué)性能符合技術(shù)要求;在安裝過(guò)程中,存在螺 栓與安裝孔不同軸現(xiàn)象,使螺栓受額外彎曲應(yīng)力,導(dǎo) 致螺栓軸向承載能力下降。

(2)對(duì)結(jié)構(gòu)受限而導(dǎo)致安裝孔難加工及緊固件 難安裝的問(wèn)題,應(yīng)開(kāi)發(fā)新型制孔工具和安裝工具,以 提升緊固件的安裝質(zhì)量。

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