某直升機(jī)連接螺栓斷裂原因

林楚新, 林 森, 孫國(guó)峰

(1.中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所， 株洲 412002；2.湖南大學(xué) 汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)與制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 長(zhǎng)沙 410082；3.浙江國(guó)檢檢測(cè)技術(shù)股份有限公司， 嘉興 314300)

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(duì)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1 760～2 010 MPa，硬度要求為48～55 HRC，試驗(yàn)安裝力矩為50 N·m。試驗(yàn)前內(nèi)側(cè)壓板部件如圖1所示，螺栓對(duì)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。

表1 內(nèi)側(cè)壓板受力狀況Tab.1 Stress conditions of inner pressing plate

圖1 連接螺栓安裝位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of installation position of the connecting bolts： a) frant view; b) side view

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(duì)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(duì)面，同樣表現(xiàn)為疲勞斷裂。

圖2 斷裂連接螺栓宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of the fractured connecting bolts: a) the fractured bolt No.1; b) the fractured bolt No.2; c) the fractured bolt No.3

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。

圖3 斷裂連接螺栓的裂紋源外表面鍍鉻層擠壓損傷宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of extrusion damage of chromium coating on the outer surface of crack source of the fractured connecting bolts: a) the fractured bolt No.1; b) the fractured bolt No.2; c) the fractured bolt No.3

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。

圖4 1號(hào)斷裂螺栓的斷口微觀形貌Fig.4 Micro morphology of fracture of the fractured bolt No.1: a) full view of fracture; b) crack source region; c) damaged chrome coating at crack source; d) crack propagation region; e) dimple of shear lip; f) damaged chrome coating on the outside of the shear lip

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。可見斷裂螺栓的顯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(jí)。

圖5 斷裂螺栓的顯微組織形貌Fig.5 Microstructure morphology of the fractured bolt

1.4 力學(xué)性能試驗(yàn)

依據(jù)GB/T 2975-2018《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。

表2 斷裂螺栓的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Mechanical properties test results of the fractured bolts

1.5 氫含量測(cè)試

在斷裂螺栓上取樣進(jìn)行氫含量測(cè)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。

表3 斷裂螺栓的氫含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.3 Hydrogen content of the fractured bolts (mass fraction) %

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(duì)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。