李正暉 張 喆

（中航工業(yè)第一飛機設(shè)計研究院，陜西 西安 710089）

1500MPa級十二角頭MJ螺紋合金鋼螺栓的研制

李正暉 張 喆

（中航工業(yè)第一飛機設(shè)計研究院，陜西 西安 710089）

論述了1 500MPa級鎳基合金Incone l718螺栓的研制特點及關(guān)鍵技術(shù)。結(jié)果表明，1 500 MPa級Incone l718螺栓能滿足飛機對高強度、長壽命、耐腐蝕緊固件的需求，實現(xiàn)了1 500 MPa級Incone l718螺栓國內(nèi)供應(yīng)的目標。

鎳基合金；螺栓； MJ螺紋

隨著飛機長壽命、大載荷、高可靠性的發(fā)展，飛機關(guān)鍵區(qū)域及應(yīng)力集中的連接部位需要1 500 MPa級高強度合金鋼螺栓，因此需研制高強度合金鋼螺栓，以滿足連接要求和飛機設(shè)計、生產(chǎn)需求。

1 緊固件的設(shè)計

1.1 材料選擇

鎳基合金Incone l718由于強度高、耐熱性好和耐蝕性能好，在650℃以下組織性能穩(wěn)定，正成為航空領(lǐng)域用途極為廣泛的高溫合金之一，在國外大型軍、民用飛機上廣泛使用。因此選擇鎳基合金Incone l718來制作飛機關(guān)鍵部位的1 500MPa級連接螺栓。

1.2 結(jié)構(gòu)型式

根據(jù)國內(nèi)外航空緊固件的使用情況，選取十二角頭MJ螺紋螺栓結(jié)構(gòu)形式進行研制。1 500MPa級十二角頭MJ螺紋螺栓結(jié)構(gòu)見圖1。

1.3 結(jié)構(gòu)特點

螺栓的破壞性質(zhì)絕大多數(shù)屬于疲勞破壞。在整個螺栓的疲勞破壞中，螺栓斷裂大部分發(fā)生在頭部、螺紋、螺紋與桿部交接處。這是由于頭桿交接處、螺紋部分、光桿與螺紋交接處都是應(yīng)力集中部位。因此，螺栓疲勞壽命的提高主要是針對此3處進行強化來提高疲勞壽命。

1.3.1 頭下圓角

Inconel 718棒材強度高，熱加工性能較好，采用了頭部熱鐓成型技術(shù)，以保證具有合理的流線，同時采用了熱處理后對頭下圓角施加一定壓應(yīng)力進行冷滾壓強化，形成圓弧過渡，如圖2。一方面圓弧過渡可以降低此處應(yīng)力集中程度；另一方面，在滾壓過程中，此處形成一定厚度的硬化層來提高螺栓抗疲勞裂紋萌生和擴展的能力。

1.3.2 螺紋區(qū)

螺栓采用抗疲勞性能好的MJ螺紋，加工方法采用滾制。MJ螺紋具有高尺寸精度、外螺紋牙底采用了較大半徑的牙底圓弧等特點，同時采用熱處理后進行滾壓螺紋制造工藝，從而使零件表面質(zhì)量提高，螺紋連接疲勞強度大大增強。螺紋零件的疲勞強度受牙底圓弧半徑的影響極為敏感，即牙底圓弧半徑較大的抗疲勞能力明顯高于牙底圓弧半徑較小的，MJ螺紋正是為了適應(yīng)這種需要而設(shè)計的。1.3.3 螺紋過渡區(qū)

目前國內(nèi)傳統(tǒng)的螺紋緊固件螺紋收尾與桿部的過渡區(qū)采用倒角形式。安裝時易劃傷孔壁。本次研究中對螺栓螺紋大徑進行了修正，螺紋大徑小于光桿直徑，同時也小于安裝孔徑，因此安裝時螺紋部分不會接觸孔壁。

另外對螺栓光桿與螺紋收尾之間的過渡區(qū)采用連續(xù)平滑圓弧過渡，降低此處應(yīng)力集中程度，同時避免劃傷孔壁，如圖3所示。

2 考核指標的確定

1 500MPa級十二角頭MJ螺紋螺栓在使用過程中重要的4項力學性能指標為：抗拉載荷、雙剪載荷、疲勞載荷、應(yīng)力斷裂載荷，本節(jié)根據(jù)相應(yīng)理論同時參考NASM 85604-2000《高溫高強度鎳基合金花鍵頭抗拉螺栓通用規(guī)范》計算出4項力學性能指標值。

2.1 抗拉載荷

螺栓在軸線方向上受拉伸載荷時，螺紋區(qū)為受力薄弱區(qū)，因此計算抗拉載荷應(yīng)根據(jù)螺紋區(qū)的承受能力來計算，承拉受力面積應(yīng)根據(jù)螺紋中徑進行計算，根據(jù)GJB 3.2A-2003《MJ螺紋 第2部分：螺栓和螺母螺紋的極限尺寸》 ，MJ螺紋中徑d2值見表1，拉伸載荷計算公式見式（1），482℃時的抗拉載荷按照室溫抗拉載荷的80%來計算，計算結(jié)果見表1。

式中： N為抗拉載荷；σb為抗拉強度（本文中為1 500MPa）；d2為螺紋中徑。

表1 拉伸載荷值

2.2 雙剪載荷

螺栓受剪切時，主要由光桿部分承受剪切載荷，因此螺栓剪切載荷面積按螺栓公稱直徑進行計算即可。同時，螺栓剪切試驗一般測量雙剪載荷，計算公式見式（2），482℃時的雙剪載荷按照室溫雙剪載荷的80%來計算，計算結(jié)果見表2。

式中： Nτ為剪切載荷；d為螺栓桿徑；τ為抗剪強度（本文中為860 MPa）。

表2 剪切載荷值

2.3 疲勞載荷

飛機結(jié)構(gòu)受力復雜，螺栓裝到結(jié)構(gòu)上后，加載一定預緊力，同時會承受其他載荷，螺栓在初始狀態(tài)承受軸向載荷占其抗拉載荷百分比不確定，因此，螺栓拉伸疲勞試驗載荷無法通過計算得出。在國內(nèi)外研究中，拉伸疲勞高載一般都處于抗拉載荷的30%～52%之間，在實際使用過程中各規(guī)范中規(guī)定不同。本文參考NASM 85604-2000，對設(shè)計的螺栓疲勞高載所占抗拉載荷百分比做出規(guī)定，具體數(shù)值及設(shè)計高載值見表3。

表3 疲勞載荷值

2.4 應(yīng)力斷裂載荷

482℃時的應(yīng)力斷裂載荷是按照室溫抗拉載荷的56%來計算的，計算結(jié)果見表4。

表4 應(yīng)力斷裂載荷值

3 突破的關(guān)鍵技術(shù)

Incone l718材料在國內(nèi)應(yīng)用于緊固件制造，在研制過程中對幾項關(guān)鍵技術(shù)進行了突破，制造出符合設(shè)計要求的緊固件。

3.1 材料性能和熱處理技術(shù)

對原材料進行成分、組織、性能檢驗與分析，對1 500MPa高強度合金鋼螺栓在熱處理制度上進行了專門的研究，根據(jù)原材料的熱處理制度對加工零件熱處理溫度、保溫時間搭配進行研究，確定材料性能和組織狀態(tài)的對應(yīng)關(guān)系，以形成最佳熱處理工藝，形成微觀組織驗收的標準。

3.2 滿足高強度要求的熱鐓技術(shù)

采用專門的熱鐓溫度控制技術(shù)，保證螺栓頭部的成型需要，不影響非加工區(qū)域，對加工溫度范圍和材料的變形量進行研究，以達到成型與后續(xù)熱處理的搭配。

3.3 高強度螺紋溫滾絲技術(shù)

采用快速加熱技術(shù)和高速滾壓成型技術(shù)，保證滾壓工藝需求，達到應(yīng)力狀態(tài)要求，表面不產(chǎn)生污染，進行加熱溫度與成型工藝搭配研究，形成穩(wěn)定的加工工藝規(guī)范，滿足批生產(chǎn)的要求。

3.4 螺栓頭下圓角強化技術(shù)

材料強度高，通過最終熱處理之后硬面進行冷滾壓螺栓頭下圓角的要求，以消除機械加工切削痕跡，需要大功率的專用設(shè)備，通過擠壓專用設(shè)備，強化頭下圓角，提高圓角處表面粗糙度精度，滿足高強螺栓的產(chǎn)品標準要求。

4 鑒定試驗

4.1 試驗方案

1 500MPa級十二角頭MJ螺紋螺栓是國內(nèi)首次研制，須經(jīng)過鑒定試驗后才能使用，根據(jù)1 500MPa級十二角頭MJ螺紋螺栓通用規(guī)范，規(guī)定了檢驗項目共20項。

4.2 試驗結(jié)果分析

4.2.1 尺寸、外觀及標志檢驗

對試驗件進行尺寸、外觀及標志檢驗，全部符合產(chǎn)品標準。

4.2.2 表面粗糙度、螺紋、螺紋收尾和過渡區(qū)、頭下圓角R檢驗

表面粗糙度、螺紋、螺紋收尾和過渡區(qū)、頭下圓角R符合產(chǎn)品標準。

4.2.3 延展性檢驗

材料延展性滿足相關(guān)標準規(guī)范要求。

4.2.4 機械性能試驗

機械性能試驗包括拉伸試驗、高溫拉伸試驗、雙剪試驗、高溫雙剪試驗、疲勞試驗以及應(yīng)力斷裂試驗。試驗方法均按GJB 715-1990《緊固件試驗方法》進行，部分典型數(shù)據(jù)見表5，實測值大于表1、表2、表4載荷值，滿足設(shè)計要求。另外拉伸疲勞試驗高載按表3進行加載，低載按高載10%進行加載。試驗結(jié)果滿足疲勞壽命平均值不低于65 000次，單件疲勞壽命不低于45 000次，單件疲勞壽命高于130 000次按130 000次的要求。

4.2.5 微觀檢驗

微觀檢驗包括螺栓頭部流線、螺紋流線、顯微組織、磨削燒傷、螺紋不連續(xù)性缺陷、螺紋微觀剪切等。鑒定試驗時，樣品規(guī)格同機械性能試驗的樣品規(guī)格。去除表面鍍涂層和潤滑劑，剖切取樣經(jīng)適當腐蝕后，放大適當倍數(shù)檢查樣品，其結(jié)果滿足相關(guān)標準規(guī)范要求，見表6。

由此可見，所做的鑒定試驗包括外觀尺寸、金相檢查及機械性能等試驗項目，機械性能實測值均大于理論值，性能數(shù)據(jù)穩(wěn)定，一致性良好，符合設(shè)計要求。

表6 金相檢測

5 結(jié)束語

經(jīng)設(shè)計評審、工藝評審及適應(yīng)性安裝試驗證明，自主研制的1 500MPa級Incone l718螺栓性能指標達到了國外標準要求。

1 500MPa級Incone l718螺栓的研制成功，滿足了飛機對高強度、長壽命、耐腐蝕緊固件的需求，可以在關(guān)鍵部位或者受載較大的部位使用，實現(xiàn)了1 500MPa級螺栓的國內(nèi)供應(yīng)。

（編輯：雨晴）

T-65

B

1003-6660（2017）02-0011-04

10.13237/j.cnki.asq.2017.02.003

[收修訂稿日期] 2016-12-22