劉春江，劉新靈，陳 星

(1.北京航空材料研究院中航工業(yè)失效分析中心，北京 100095;2.航空材料檢測與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095)

0 引言

螺釘是航空產(chǎn)品重要的緊固件，其安全使用對(duì)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品性能或功能作用至關(guān)重要。在設(shè)計(jì)階段，有限元分析是一種常用的強(qiáng)度計(jì)算方法，對(duì)螺釘在良好工作狀態(tài)下的強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算［1］，以提高螺釘?shù)陌踩褂脡勖?，但在?shí)際應(yīng)用中，航空產(chǎn)品連接件的試驗(yàn)和計(jì)算由于受到多種因素的影響，如連接形式、幾何尺寸、緊固件的類型、載荷類型、環(huán)境以及材料性能等，在使用中發(fā)生的斷裂失效形式較多，失效原因也復(fù)雜多樣［2－5］。對(duì)于連接件，根據(jù)工況條件進(jìn)行有限元分析，不僅能夠有效地用于失效原因查找，還可以獲取直接的改進(jìn)措施［6］。

航空液壓油泵可靠性強(qiáng)化振動(dòng)試驗(yàn)尚未達(dá)到目標(biāo)壽命時(shí)，連接油泵殼體與支架的螺釘提前斷裂，振動(dòng)試驗(yàn)在 x、y、z方向上依次進(jìn)行(圖1)，3個(gè)方向上的試驗(yàn)過程一致，每個(gè)方向上的具體試驗(yàn)過程見表1。通過外觀觀察、斷口宏微觀觀察和組織檢查等方法，結(jié)合有限元分析，分析螺釘失效模式和失效原因。

表1 具體振動(dòng)試驗(yàn)過程Table 1 Detailed process of vibratory test

圖1 油泵結(jié)構(gòu)及振動(dòng)方向示意圖Fig.1 Sketch of lubropump structure and vibration directions

1 試驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1 外觀觀察

螺釘通過擰入油泵殼體的螺孔，將支架固定在油泵殼體上，支架的螺孔內(nèi)壁無螺紋。斷裂螺釘安裝于支架的焊縫與加強(qiáng)筋的夾角處，且距離加強(qiáng)筋的過渡圓角較近，孔周圍存在不均勻接觸痕跡(圖2)。螺孔周圍位于y軸上的焊點(diǎn)可見兩處接觸痕跡，為螺帽壓在焊點(diǎn)上形成;螺孔兩側(cè)在x軸上存在明顯的接觸痕跡，是由距離過渡圓角較近引起螺孔兩側(cè)高度不同而產(chǎn)生的。支架螺孔內(nèi)壁無螺紋，但可見與螺釘螺紋的接觸變形特征(圖3)。螺帽邊緣可見與焊點(diǎn)接觸形成的凹坑特征，螺帽上存在不均勻接觸現(xiàn)象，經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)，螺帽上與螺孔周圍接觸痕跡相對(duì)應(yīng)(圖4)。

1.2 斷口宏微觀觀察

螺釘斷裂于第2扣與第3扣之間的螺紋底部，斷口分3個(gè)區(qū)域:裂紋源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)(圖5)。裂紋源區(qū)位于螺紋表面，與螺帽與焊點(diǎn)的接觸變形位置同側(cè)，斷口沿螺釘徑擴(kuò)展，擴(kuò)展區(qū)面積占斷口的絕大部分，可見疲勞弧線特征，剩余部分位于斷口邊緣，為瞬斷區(qū)。

圖2 支架斷裂螺釘孔周圍表面接觸痕跡特征Fig.2 Contact mark on the surface around hole of ruptured screw

圖3 螺紋孔內(nèi)壁接觸特征Fig.3 Contact mark on the surface in hole

圖4 螺帽表面接觸痕跡特征Fig.4 Contact mark on the cap of screw

將螺釘斷口超聲波清洗后置于掃描電子顯微鏡下對(duì)其3個(gè)區(qū)域進(jìn)行觀察。斷裂線性起源于螺紋表面，源區(qū)未見明顯夾雜、疏松等冶金缺陷，側(cè)面未觀察到原始損傷痕跡，裂紋擴(kuò)展區(qū)可見明顯的疲勞條帶特征，瞬斷區(qū)可見韌窩和磨損特征(圖6)。

圖5 螺釘斷裂位置及斷口宏觀特征Fig.5 Fracture position of screw and macro－morphology of fracture surface

圖6 斷口微觀形貌Fig.6 SEM of fracture surface

1.3 金相及硬度檢測

在螺釘?shù)穆菝倍瞬咳?，測量維氏硬度并觀察金相組織。將維氏硬度換算為洛氏硬度和抗拉強(qiáng)度，其洛氏硬度值為HRC35，抗拉強(qiáng)度為1063 MPa，滿足技術(shù)要求的 HRC 24～37和 σb≥900 MPa。金相組織為GH2132高溫合金正常的等軸晶組織，未見異常(圖7)。

1.4 有限元分析

為分析研究螺孔周圍與螺帽之間的不良接觸現(xiàn)象(尤其是焊點(diǎn)與螺帽的不良接觸現(xiàn)象)對(duì)螺釘應(yīng)力分布的影響，基于有限元分析軟件Ansys Workbench，建立螺釘和螺孔螺紋配合的三維接觸有限元模型，通過在螺帽上施加局部集中力實(shí)現(xiàn)對(duì)不良接觸現(xiàn)象的模擬，通過在螺帽上施加均勻載荷模擬螺帽接觸良好情況，加載方法見圖8。

圖7 螺釘金相組織Fig.7 Metallurgical structure of screw

螺栓材料為高溫合金GH2132，取彈性模量取 E=198 MPa［7］，泊松比取 ν=0.3，由于難以準(zhǔn)確獲得試驗(yàn)中螺釘?shù)氖芰η闆r，本研究選擇F=1 kN，改變局部集中力F'，同時(shí)滿足F'+F'=1 kN，實(shí)現(xiàn)不良接觸程度對(duì)螺釘應(yīng)力分布的影響的定量描述，探究故障發(fā)生的主要原因。

圖8 螺釘受載示意圖Fig.8 Sketch of screw loading

受均勻載荷作用時(shí)螺釘?shù)膽?yīng)力分布狀態(tài)見圖9，最大應(yīng)力區(qū)位于第1扣嚙合螺紋與未嚙合螺紋之間的螺紋底部;局部集中力可以明顯改變螺釘?shù)膽?yīng)力分布和最大應(yīng)力水平，最大應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)移到與局部集中力同側(cè)的螺紋底部并明顯增大(圖10);提取不同局部集中力F'作用下螺釘?shù)淖畲髴?yīng)力值，可知隨著局部集中力的增加，螺紋底部最大應(yīng)力值與最大應(yīng)力增加百分比均呈明顯線性增加趨勢，當(dāng)=11%時(shí)，最大應(yīng)力增加將近50%(圖11)，對(duì)最大應(yīng)力值增加百分比與局部集中力增大幅度之間的線性關(guān)系進(jìn)行分析，可獲得方程

其中:y為最大應(yīng)力值增加百分比;x為局部集中力增加幅度，即x=F'/F。

2 分析與討論

2.1 斷裂性質(zhì)分析

螺釘裂紋斷口線性起源于第2扣與第3扣螺紋之間的螺紋底部，斷面上宏觀可見典型的疲勞弧線特征，微觀可見明顯的疲勞條帶特征，疲勞擴(kuò)展區(qū)占整個(gè)斷面的大部分區(qū)域;因此，螺釘?shù)臄嗔研再|(zhì)為疲勞斷裂。

2.2 斷裂原因分析

對(duì)螺釘材料金相組織和硬度進(jìn)行檢測分析，可知螺釘?shù)牟馁|(zhì)無異常，即螺釘?shù)臄嗔雅c材質(zhì)無關(guān)。

圖9 受均勻載荷時(shí)Von Mises應(yīng)力分布Fig.9 Stress distribution of Von Mises with uniform loading(F=1 kN)

圖10 局部集中力引起的螺釘應(yīng)力分布改變Fig.10 Variations of stress distribution by local loading(F＇=110 N)

圖11 局部集中力對(duì)最大應(yīng)力變化趨勢的影響Fig.11 Effect of local load on the varied trend of maximum stress

支架上的螺孔內(nèi)壁無螺紋，但螺孔內(nèi)壁存在螺釘?shù)?、2扣螺紋的接觸痕跡，即螺釘?shù)牡?扣螺紋與油泵殼體螺孔螺紋的第1扣螺紋嚙合，螺釘斷裂位置位于螺釘?shù)?扣螺紋與第3扣螺紋之間的底部，即未嚙合螺紋與第1扣嚙合螺紋的底部。

螺帽與螺孔周圍存在不良接觸現(xiàn)象:1)在x軸上，不良接觸現(xiàn)象說明螺孔兩側(cè)高度不同，由過渡圓角引起螺孔兩側(cè)高度不同引起;2)在y軸上，螺帽壓在距螺孔較近的焊點(diǎn)上，引起局部接觸。上述2種不良接觸狀態(tài)會(huì)引起螺帽不均勻受載，影響螺釘?shù)拇怪睜顟B(tài)，導(dǎo)致螺釘?shù)膽?yīng)力分布改變，降低螺釘抗疲勞性能。

為進(jìn)一步分析不良接觸現(xiàn)象對(duì)螺釘應(yīng)力分布造成的影響，建立有限元模型，通過施加局部集中力，模擬螺孔周圍與螺帽之間的不良接觸，計(jì)算其對(duì)螺釘應(yīng)力分布變化的影響。計(jì)算結(jié)果表明:螺釘最大應(yīng)力處位于模型未嚙合螺紋與第1扣嚙合螺紋的螺紋底部，與前人分析結(jié)果一致［8］，該故障中螺釘斷裂位置也正是未嚙合螺紋(螺釘?shù)?扣螺紋)與第1扣嚙合螺紋(螺釘?shù)?扣螺紋)之間的螺紋底部;當(dāng)螺釘整體受力F不改變，局部集中力F'不僅可以明顯改變螺釘?shù)膽?yīng)力分布情況，還顯著放大了與局部集中力同側(cè)的螺紋底部的應(yīng)力水平，致使與局部集中力同側(cè)的螺紋底部成為最危險(xiǎn)的部位，當(dāng)應(yīng)力超過疲勞極限時(shí)，即會(huì)在局部集中力同側(cè)的螺紋底部產(chǎn)生疲勞破壞。故障中疲勞裂紋起源于與接觸焊點(diǎn)同側(cè)的嚙合螺紋底部，也說明了前面觀察到的兩種不良接觸現(xiàn)象中，焊點(diǎn)與螺帽之間的接觸對(duì)螺釘應(yīng)力分布的改變影響作用更大，致使螺釘在焊點(diǎn)同側(cè)的螺紋底部萌生裂紋并發(fā)生疲勞斷裂。

3 結(jié)論

1)螺釘斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂，焊點(diǎn)與螺帽的接觸，引起螺帽受到局部集中力作用，導(dǎo)致第2扣螺紋(未嚙合螺紋)和第3扣螺紋(第1扣嚙合螺紋)之間的螺紋底部應(yīng)力增大是導(dǎo)致螺釘斷裂的主要原因。

2)有限元計(jì)算結(jié)果表明最大應(yīng)力出現(xiàn)在第1扣嚙合螺紋根部，局部集中力可以明顯改變螺釘?shù)膽?yīng)力分布情況，能夠顯著放大與局部集中力同側(cè)的螺紋底部的應(yīng)力水平。

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