飛機蓋板螺栓斷裂失效分析

殷小健, 許永春, 張 兵, 馮德榮 , 孫曉軍, 張欽瑩

(1. 河南省緊固連接技術重點實驗室, 河南 信陽 464000; 2. 河南航天精工制造有限公司, 河南 信陽 464000;3. 中國航發北京航空材料研究院, 北京 100095)

由于具有成本低、強度高等優點,鋼制緊固件廣泛應用于各個行業。在航空航天領域,雖然鈦合金、鋁合金等材料的緊固件應用日益增多,鋼制緊固件仍然占絕大比例。作為一種重要的緊固件,螺栓多用于聯接承力件,一旦失效,可能會導致嚴重事故,甚至造成人員傷害和死亡。鋼制螺栓失效模式復雜多變,其中氫致延遲脆性破壞是其較為常見的失效模式[1-3]。

氫不僅會使鋼制零件變脆,還會降低材料的極限抗拉強度和疲勞性能[4-7]。此外,由于具有“批次性”、難于預判性等特點,氫脆破壞一直是鋼制零件安全服役所面臨的重大威脅之一,也是國內外科研人員關注的重點之一。對于鋼制螺栓,由于酸洗、電鍍等表面處理過程引入氫而導致氫脆開裂的現象已有較多研究[3,8],在使用過程由于表面腐蝕吸氫導致氫脆開裂的案例還鮮見報道。因此,對于使用過程中由于表面腐蝕吸氫而導致氫脆開裂的現象和機理進行分析研究并提出預防措施,對于工程上類似故障的預防具有較高的參考價值。

某飛機服役一段時間后,機翼蓋板1根螺栓發生斷裂。斷裂螺栓為M8十字槽沉頭螺栓,材料為ML30CrMnSiA鋼,制造工藝為冷鐓→機加工→熱處理→吹砂→鍍鋅→除氫。

本文通過外觀痕跡和斷口形貌觀察、顯微組織檢查、硬度測試、能譜成分分析、氫含量測試以及氫脆試驗,對螺栓的斷裂性質和原因進行了分析,并提出了預防措施。

1 試驗過程與結果

1.1 宏觀觀察

失效螺栓宏觀形貌見圖1,螺栓于第一扣螺紋處發生斷裂,斷口幾乎和軸向垂直,螺栓頭一側殘段表面可見大面積腐蝕,螺紋殘段殘留在螺母內,該段螺紋表面以及螺母表面未見明顯腐蝕。螺栓斷口宏觀形貌見圖2,裂紋起源于螺紋底部一側表面,向對側擴展,最后斷裂區呈剪切唇特征。螺栓頭一側斷口氧化腐蝕較嚴重,螺母一側斷口相對干凈,因此主要對螺母一側斷口進行微觀形貌分析。

圖1 斷裂螺栓宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the fractured bolt

1.2 微觀觀察

利用場發射掃描電鏡對螺母一側斷口的微觀形貌進行觀察。斷口源區呈沿晶+解理混合斷裂特征,以沿晶特征為主,靠近邊緣數十微米的區域內可見腐蝕痕跡;擴展區韌窩比例逐漸增加,呈沿晶+韌窩混合特征;斷口沿晶區晶面局部可見撕裂棱;斷口心部和剪切唇區域主要呈韌窩特征,見圖3。斷口源區一側側表面可見明顯的腐蝕產物,見圖4。分別對失效螺栓和同批次的一個新螺栓進行人為打斷,兩個螺栓人為斷口主要呈韌窩特征,均未見明顯沿晶斷裂特征,見圖5。

圖3 螺栓斷口微觀形貌(a)源區低倍形貌;(b)源區高倍形貌;(c)擴展區微觀形貌;(d)斷口心部微觀形貌Fig.3 Micromorphologies of the bolt fracture surface(a) low magnification of source zone; (b) high magnification of source zone; (c) at extension zone; (d) at core of fracture surface

圖4 斷口源區側表面的腐蝕產物Fig.4 Corrosion products on side surface near the fracture source

圖5 螺栓人為斷口微觀形貌(a)失效螺栓;(b)同批次螺栓Fig.5 Micromorphologies of man-made fracture surfaces of the bolts (a) failed bolt; (b) a bolt of the same batch

1.3 能譜成分分析

對螺母一側斷口以及源區側表面腐蝕產物進行能譜成分分析,結果見表1。螺母一側斷口僅在邊緣數十微米范圍內存在較高的O元素和少量Cl元素,內部沿晶擴展區O元素含量較低且未見Cl元素;源區側表面腐蝕產物除了含有很高的O元素和一定量的Cl元素外,還含有少量的S元素。

表1 螺栓斷口以及源區側表面能譜成分分析結果(質量分數,%)

1.4 顯微組織檢查

將螺栓頭一側斷口從中間位置縱向剖開,制備金相試樣,磨拋腐蝕后進行顯微組織檢查。源區一側表面鍍層消失,局部可見點蝕坑,源區對側表面鍍層仍可見,兩側表層均存在深度20 μm左右的半脫碳層,符合HB 7454—1997《MJ螺紋合金鋼及不銹鋼螺栓螺釘通用規范》的規定(螺栓允許的法向半脫碳層最大深度為0.1 mm),心部組織為正常的回火索氏體,裂紋源區組織與其他部位無明顯差異,斷口附近未見沿晶分叉裂紋,見圖6。

1.5 硬度測試

分別從失效螺栓以及一個同批次新螺栓(人為打斷螺栓)上截取橫截面試樣,磨拋后進行顯微硬度測試,結果見表2。兩個螺栓硬度接近,近表面硬度略低,失效螺栓心部硬度按GB/T 1172—1999《黑色金屬硬度及強度換算值》轉換成抗拉強度Rm約1316 MPa,略高于技術要求上限(1080～1280 MPa)。

表2 螺栓顯微硬度測試結果 (HV0.5)

1.6 氫含量測試

從失效螺栓心部取φ5 mm×5 mm測氫試樣,采用脈沖加熱—熱導法測試氫含量。失效螺栓基體氫含量平均值為0.8×10-6。

1.7 氫脆試驗

為了明確螺栓的斷裂原因,對同批次螺栓按照HB 5067.1—2005《鍍覆工藝氫脆試驗 第1部分:機械方法》進行氫脆持久試驗。試驗選取6根同批次新螺栓,每3根螺栓串聯連接,分為兩組,試驗載荷為螺栓破壞載荷的0.75倍。經過200 h氫脆持久試驗,6根螺栓均未發生斷裂。

2 分析與討論

2.1 螺栓斷裂性質

斷口觀察顯示,失效螺栓斷口源區和擴展前期主要呈沿晶開裂特征。鋼制零件發生沿晶脆性開裂的可能因素包括回火脆性、氫致開裂和應力腐蝕開裂。失效螺栓人為打斷斷面主要呈韌窩特征,說明材料自身未見明顯脆性,由此可排除回火脆性導致的沿晶開裂。

失效螺栓螺母一側斷口僅邊緣數十微米區域可見腐蝕特征,沿晶區深度遠大于腐蝕區,且晶面局部可見撕裂棱(雞爪痕)。此外,金相檢查顯示,斷口附近未見沿晶分叉裂紋。綜合以上特點,可判斷螺栓斷裂性質為氫致延遲脆性斷裂。

2.2 螺栓斷裂原因

鋼制零件發生氫致脆性開裂是一個多因素耦合作用的結果,主要影響因素包括材料狀態、氫含量和拉應力,其中材料狀態是內在影響因素,氫含量和拉應力是誘發因素,如圖7所示[9]。通常而言,材料強度越高,氫脆敏感性越大,發生氫脆開裂所需的臨界氫含量越低。對于中低強度鋼,氫含量大于5×10-6時可能會發生氫脆開裂,當強度高于1200 MPa時,材料氫脆敏感性迅速增加,即使氫含量小于1×10-6,都有可能會發生氫脆開裂[10-13]。失效螺栓基體硬度換算成抗拉強度Rm約1316 MPa,位于技術要求上限,材料本身具有較高的氫脆敏感性,是螺栓發生氫脆開裂的內在原因。

圖7 鋼制零件發生氫脆開裂的影響因素[9]Fig.7 Influencing factors for hydrogen embrittlement cracking of steel parts[9]

一般來說,零件內部的氫含量越高,則發生氫脆開裂的可能性越大。失效螺栓基體氫含量較低(小于1×10-6),且同批次新螺栓經過200 h氫脆持久試驗后均未斷裂,由此可判斷,螺栓氫脆斷裂和其內部的氫含量關系不大。失效螺栓斷口源區一側表面存在明顯腐蝕產物且鍍層消失,斷口源區邊緣也可見腐蝕產物,腐蝕產物含有Cl元素。此外,對其他蓋板螺栓進行排查,均未發現明顯腐蝕及開裂現象。綜合以上特點,可判斷螺栓氫脆斷裂應該與表面腐蝕吸氫有關。失效螺栓在腐蝕介質作用下首先出現鍍層破損,基體和腐蝕介質發生反應:Fe+3HCl→3H+FeCl3。反應產生的氫一部分以分子的形式逸出,其余以原子的形式進入材料基體(見圖8(a))。螺栓螺紋底部為應力集中部位,在應力梯度作用下材料中的氫原子在晶格內擴散或跟隨位錯運動,向螺紋底部表層區域的晶界、空穴、位錯等缺陷處聚集(見圖8(b)),導致晶面結合強度降低,進而在應力作用下形成沿晶微裂紋并擴展。

圖8 螺栓腐蝕吸氫以及氫向晶界聚集示意圖(a)表面腐蝕吸氫; (b)氫在晶界聚集Fig.8 Schematic illustration of hydrogen ingress into bolt and gathering at grain boundaries(a) ingress of hydrogen due to corrosion; (b) gathering of hydrogen at grain boundaries

失效螺栓表面可見大面積腐蝕,而其他蓋板螺栓表面均未出現明顯腐蝕,說明失效螺栓使用環境相對比較惡劣。失效螺栓頭部一側殘段表面腐蝕嚴重,螺母一側螺紋殘段腐蝕輕微,由此可判斷失效螺栓頭部一側腐蝕嚴重應該與積液等惡劣腐蝕環境有關。

2.3 預防措施

鋼制零件氫脆失效一般可以從以下3方面進行預防和控制:①調整熱處理工藝,適當降低材料強度;②降低材料的氫含量;③適當降低拉應力水平。螺栓強度位于技術要求上限,本身具有較高的氫脆敏感性,這是螺栓發生氫脆斷裂的內因。螺栓在服役過程中,表面局部腐蝕吸氫,導致表層氫含量增加,這是本次螺栓氫脆斷裂的直接原因。調整熱處理工藝,在滿足設計要求的前提下適當降低螺栓的強度,同時加強螺栓的腐蝕防護,可以有效預防氫脆斷裂的發生。

3 結論

1) 螺栓斷裂性質為氫致延遲脆性斷裂。

2) 材料強度偏高,氫脆敏感性較大是螺栓氫脆斷裂的內因,表面局部腐蝕吸氫是導致螺栓氫脆斷裂的直接原因。

3) 調整熱處理工藝,在滿足設計要求的前提下適當降低螺栓的強度,同時加強螺栓的腐蝕防護,可以有效預防氫脆斷裂的發生。