螺母表面裂紋失效分析

王 珊，歐陽康

（國營蕪湖機(jī)械廠，安徽 蕪湖241007）

0 引言

螺栓等緊固件廣泛應(yīng)用于航空、航天等領(lǐng)域，緊固件的失效往往會導(dǎo)致十分嚴(yán)重的后果[1]。不銹鋼緊固件具有許多優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用過程中仍會出現(xiàn)失效等情況[2]。某飛機(jī)在維修檢查過程中發(fā)現(xiàn)多個不銹鋼螺母存在裂紋。該類螺母為收緊螺母，主要用于接頭，包括兩通接頭、三通接頭的連接及緊固。該類螺母的材料牌號為1Cr11Ni2W2MoV，表面處理狀態(tài)為化學(xué)鈍化，工作環(huán)境為油液環(huán)境，-55℃～70℃。本文針對兩個失效的螺母進(jìn)行分析，分別編號為1#及2#，如圖1所示。通過對螺母周向裂紋進(jìn)行了宏觀觀察、斷口宏微觀分析、能譜分析、金相觀察、硬度分析，確定了螺母的斷裂原因及給出了改進(jìn)措施。

圖1 螺母形貌

1 試驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1 宏觀觀察

對1#、2#螺母進(jìn)行宏觀觀察，可以看到1#螺母有兩條裂紋，2#螺母有一條裂紋，見圖2、圖3。其中1#螺母裂紋分別在螺紋位置沿縱向擴(kuò)展及R角位置沿軸向開裂；2#螺母裂紋位于R角位置，裂紋均可觀察到分叉。同時，在R角裂紋附近，可見多處腐蝕坑，表面狀態(tài)較差。

圖21 #螺母形貌

圖32 #螺母形貌

將裂紋打開，觀察裂紋內(nèi)部形貌，可見1#螺母的軸向斷面平整，可見明顯的分界，斷口位置可見紅褐色銹蝕且銹蝕嚴(yán)重，銹蝕區(qū)域穿透整個斷面，打斷區(qū)域呈金屬光澤，側(cè)面可見二次裂紋?？v向裂紋打開后可見斷面平整，銹蝕痕跡，見圖4。2#螺母斷口平整，可見紅褐色銹蝕痕跡，分界面明顯，側(cè)面可見二次裂紋，見圖5。

圖41 #螺母斷面形貌

圖52 #螺母斷面形貌

1.2 斷口微觀及能譜分析

為進(jìn)一步觀察斷口形貌，采用微觀方式進(jìn)行形貌觀察。將斷口用丙酮溶液清洗后，置于掃描電子顯微鏡對斷面進(jìn)行分析?？梢?#螺母周向斷面呈沿晶形貌[3]，表面可見腐蝕產(chǎn)物，在斷面及打斷區(qū)位置可見明顯分界[4]，打斷位置呈韌窩形貌，見圖6。沿晶區(qū)域能譜可見Cl等腐蝕元素，韌窩區(qū)域未見腐蝕元素，見圖7。

圖71 #斷口能譜分析（周向）

縱向斷面可見典型沿晶特征，表面附著腐蝕產(chǎn)物見圖8。沿晶區(qū)域能譜可見Cl等腐蝕元素，見圖9。

圖81 #螺母微觀形貌（軸向）

圖9 斷口能譜分析（縱向）

根據(jù)宏觀斷口情況及微觀形貌，可知到2#螺母斷面從外側(cè)起源，斷面位置可見沿晶特征，沿晶面可見腐蝕產(chǎn)物，在斷面及打斷區(qū)位置可見明顯分界，打斷位置呈韌窩形貌，見圖10。沿晶區(qū)域可見Cl等腐蝕元素，韌窩位置未見腐蝕元素，見圖11。

圖102 #螺母微觀形貌

圖112 #斷口能譜分析

1.3 金相分析

對螺母的金相組織進(jìn)行分析，以確定是否存在金相缺陷。選取2#螺母沿軸向切取試樣制取金相樣品，打磨、拋光腐蝕后進(jìn)行觀察，可見基體為馬氏體組織[5]，晶界清晰，可見均勻分布的板條狀馬氏體組織，見圖12。

圖12 金相組織

1.4 硬度分析

使用洛氏硬度計(jì)對螺母進(jìn)行硬度試驗(yàn)，結(jié)果見表1。通過表1可以看出，螺母的洛氏硬度值在標(biāo)準(zhǔn)值區(qū)間內(nèi)，相對偏高。

表1 洛氏硬度測試結(jié)果

1.5 殘余應(yīng)力測試分析

使用加拿大PROTO公司的iXRD 300W X射線應(yīng)力測定儀對螺母R角位置垂直于裂紋方向進(jìn)行殘余應(yīng)力測試，測試結(jié)果分別為+100 MPa、+124 MPa及+203 MPa，表面為殘余拉應(yīng)力狀態(tài)。

2 分析與討論

通過宏微觀觀察可知，1#、2#螺母裂紋處均可看到裂紋分叉及腐蝕產(chǎn)物。斷口打開后觀察到斷面平整，有明顯銹蝕痕跡，未見異常損傷。微觀觀察斷面呈沿晶脆斷特征，人工打斷區(qū)域?yàn)轫g窩特征，能譜分析斷面有S、Cl等元素，由此判斷，1#及2#螺母斷裂性質(zhì)均為應(yīng)力腐蝕。

應(yīng)力腐蝕的形成條件包括：持續(xù)拉應(yīng)力、腐蝕介質(zhì)以及應(yīng)力腐蝕敏感性[6]。1）R角位置為殘余應(yīng)力聚集區(qū)域，且通過殘余應(yīng)力測試可知螺母位置存在表面殘余拉應(yīng)力；2）螺母工作環(huán)境為油液，油液中存在腐蝕元素，同時打開斷面后也可檢測到S、Cl等元素，說明在環(huán)境中存在腐蝕元素；3）1Cr11Ni2W2MoV材料本身應(yīng)力腐蝕敏感性較高[7]，硬度值在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)但偏高，這樣應(yīng)力腐蝕敏感性更高，更易造成應(yīng)力腐蝕。

綜上，兩個螺母的斷裂性質(zhì)均為應(yīng)力腐蝕。當(dāng)多個螺母頻繁出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕，根據(jù)應(yīng)力腐蝕形成條件，可通過更換材料避免應(yīng)力腐蝕敏感性、消除表面殘余拉應(yīng)力以及增加表面防護(hù)手段等方式進(jìn)行預(yù)防。但是，考慮到工廠該類螺母的使用量較大，更換材料影響較廣，不建議更換材料。因此，通過降低材料表面硬度來減小應(yīng)力腐蝕敏感性，同時，對入廠螺母表面的殘余應(yīng)力情況進(jìn)行抽檢，并關(guān)注該類螺栓等緊固件的表面狀態(tài)，及時通過腐蝕點(diǎn)的出現(xiàn)來判斷是否出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋。

工廠通過將螺母表面殘余應(yīng)力改性為殘余壓應(yīng)力，降低材料硬度至25～30區(qū)域內(nèi)的方式，同時在驗(yàn)收關(guān)卡增加對螺母表面腐蝕特性的觀察，有效避免了螺母應(yīng)力腐蝕的發(fā)生。

3 結(jié)束語

螺母等緊固件在使用過程中出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕的失效模式較為常見，針對該類故障表現(xiàn)的特性，主要通過調(diào)整材料硬度、表面殘余應(yīng)力特性等方式進(jìn)行材料改進(jìn)；同時通過螺母的抽檢等方式，關(guān)注其表面狀態(tài)，通過腐蝕點(diǎn)的出現(xiàn)來判斷是否出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋等情況。