黃 超，錢(qián) 征，歐陽(yáng)康

（國(guó)營(yíng)蕪湖機(jī)械廠，安徽 蕪湖241000）

自鎖螺母斷裂分析

黃 超，錢(qián) 征，歐陽(yáng)康

（國(guó)營(yíng)蕪湖機(jī)械廠，安徽 蕪湖241000）

針對(duì)某型機(jī)發(fā)生的材料為30CrMnSiA的自鎖螺母斷裂情況，為了解失效過(guò)程，找出失效原因，采用外觀觀察、體式檢查、斷口微觀觀察、能譜分析、金相組織分析、硬度檢測(cè)的方法，分析自鎖螺母斷裂的原因。結(jié)果表明：自鎖螺母為應(yīng)力腐蝕斷裂，其滿(mǎn)足應(yīng)力腐蝕各項(xiàng)要素的存在條件；鍍鋅鈍化層較差的耐蝕性會(huì)降低自鎖螺母的耐應(yīng)力腐蝕能力；由于材料的耐蝕性與組織以及表面狀態(tài)有關(guān)，建議嚴(yán)格控制該自鎖螺母的制造過(guò)程中的熱處理工序及表面處理工序。

自鎖螺母；30CrMnSiA；應(yīng)力腐蝕；鍍鋅鈍化

0 引言

自鎖螺母是高抗振、防松的緊固零件，原理是利用非圓形收口在螺母擰緊后，收口脹開(kāi)，產(chǎn)生有效力矩，起到放松作用，從而大量地應(yīng)用在飛機(jī)的結(jié)構(gòu)件當(dāng)中[1-2]。30CrMnSiA作為航空系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛的合金結(jié)構(gòu)鋼，大都集中于材料相關(guān)性能的研究[3-4]，對(duì)其制件失效的研究卻較少[5]，尤其是作為自鎖螺母失效的案例未見(jiàn)于相關(guān)報(bào)道中。

某型機(jī)在結(jié)構(gòu)修理過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)一件自鎖螺母發(fā)生開(kāi)裂，該自鎖螺母技術(shù)要求為σb=（900～1 080）MPa，表面處理方式為鍍鋅鈍化，規(guī)格為HB 8235-MJ8×1.本文通過(guò)對(duì)30CrMnSiA自鎖螺母裂紋的外觀觀察、體式檢查、斷口微觀觀察、能譜分析、金相組織分析、硬度檢測(cè)，確定了該自鎖螺母的斷裂原因，并給出相關(guān)預(yù)防改進(jìn)措施。

1 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

1.1 外觀觀察

由圖1可見(jiàn)該自鎖螺母裂紋則沿軸向貫穿，且裂紋處均沿徑向內(nèi)外貫穿。同時(shí)表面鍍鋅鈍化層的彩虹色已不可見(jiàn)，自鎖螺母外表面為黑色+灰白色。

圖1 自鎖螺母外觀

1.2 體式檢查

自鎖螺母采用線(xiàn)切割的方式將裂紋打開(kāi)，采用體式顯微鏡對(duì)斷口及螺母內(nèi)表面進(jìn)行觀察。由圖2可見(jiàn)斷口上部分區(qū)域覆蓋有一層黑色物質(zhì)，其余區(qū)域?yàn)榧t褐色的腐蝕產(chǎn)物的顏色特征。觀察螺紋部分可見(jiàn)螺紋底部呈黑色，而螺紋端面則為鍍鋅鈍化的彩虹色表面。

圖2 自鎖螺母斷口體視觀察

1.3 微觀觀察

斷口經(jīng)超聲波丙酮清洗后，放入掃描電子顯微鏡中觀察，斷口發(fā)現(xiàn)有泥紋狀的腐蝕產(chǎn)物覆蓋，見(jiàn)圖3（a）.斷口部分區(qū)域放大后可見(jiàn)腐蝕產(chǎn)物脫落后露出的沿晶形貌，見(jiàn)圖 3（b）.

圖3 斷口微觀形貌

1.4 能譜分析

對(duì)自鎖螺母的斷口進(jìn)行了能譜分析，結(jié)果如表1所示。兩件自鎖螺母的斷口均存在腐蝕性元素S和Cl，且自鎖螺母在斷口處還存在外界進(jìn)入的雜質(zhì)元素物質(zhì)。

表1 斷口能譜分析結(jié)果

1.5 金相組織觀察

用線(xiàn)切割加工將自鎖螺母斷口切開(kāi)，經(jīng)鑲嵌、磨制、拋光后采用4%硝酸酒精進(jìn)行腐蝕，并在金相顯微鏡下對(duì)該自鎖螺母斷口的截面金相進(jìn)行觀察。如圖4所示，自鎖螺母內(nèi)表面白亮處為表面脫碳層，并一直延伸至斷面，但斷面未發(fā)現(xiàn)明顯脫碳現(xiàn)象，心部組織為回火索氏體。

圖4 自鎖螺母截面金相

用線(xiàn)切割加工將自鎖螺母沿軸向切開(kāi)，經(jīng)鑲嵌、磨制、拋光后采用4%硝酸酒精進(jìn)行腐蝕，并在金相顯微鏡下對(duì)該自鎖螺母軸向金相進(jìn)行觀察。觀察發(fā)現(xiàn)螺母外表面鍍鋅層多處存在點(diǎn)蝕坑，見(jiàn)圖5（a）.螺紋底部鍍鋅層靠外側(cè)部分存在黑色的點(diǎn)線(xiàn)狀形貌，見(jiàn)圖5（b）.

圖5 自鎖螺母軸向金相

1.6 硬度檢測(cè)

對(duì)截面金相試樣進(jìn)行維氏硬度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2.可見(jiàn)自鎖螺母的心部硬度均高于斷口旁硬度，并且心部換算后的強(qiáng)度值均超出技術(shù)要求σb=900～1 080 MPa的規(guī)定。

表2 硬度檢測(cè)結(jié)果

2 分析與討論

斷口上發(fā)現(xiàn)的S、Cl元素說(shuō)明了工作環(huán)境存在腐蝕性介質(zhì)，結(jié)合宏觀觀察的斷口紅褐色腐蝕顏色以及微觀觀察到的沿晶斷裂形貌，可以判斷該自鎖螺母為應(yīng)力腐蝕斷裂。

外觀觀察兩件自鎖螺母均未發(fā)現(xiàn)明顯的表面損傷痕跡，但外側(cè)黑色+灰色表面說(shuō)明表面鍍鋅鈍化層已被破壞，表面鋅層已經(jīng)被氧化[6]。體式觀察中同樣難以在螺紋底部觀察到鍍鋅鈍化表面，反而發(fā)現(xiàn)該處存在黑色物質(zhì)，并且結(jié)合軸向金相觀察發(fā)現(xiàn)的鍍層的點(diǎn)蝕坑與螺紋根部腐蝕后鍍層外側(cè)變黑，可以看出該自鎖螺母的鍍鋅鈍化層的耐蝕性較弱[7]。自鎖螺母在安裝后，螺母沿周向有靜拉應(yīng)力，為應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂提供了應(yīng)力條件[8]。心部強(qiáng)度超出技術(shù)要求說(shuō)明該自鎖螺母的熱處理過(guò)程存在一定問(wèn)題，影響了最終的材料力學(xué)性能，力學(xué)性能不在技術(shù)要求內(nèi)也可能對(duì)材料的耐應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生不利影響。

3 結(jié)論與建議

（1）自鎖螺母為應(yīng)力腐蝕斷裂，其滿(mǎn)足應(yīng)力腐蝕各項(xiàng)要素的存在條件。

（2）鍍鋅鈍化層的點(diǎn)蝕坑與螺紋根部腐蝕后鍍層外側(cè)變黑，可以判斷出鍍鋅鈍化層的耐蝕性較弱，降低了自鎖螺母的耐應(yīng)力腐蝕能力。

（3）由于材料的耐蝕性與組織以及表面狀態(tài)有關(guān)，建議嚴(yán)格控制該自鎖螺母的制造過(guò)程中的熱處理工序及表面處理工序。

[1]凡進(jìn)軍.某航空發(fā)動(dòng)機(jī)自鎖螺母加工的探討[J].科技展望，2016（30）：60.

[2]趙愛(ài)國(guó)，王慶如.鈦合金自鎖螺母裂紋故障分析[J].失效分析與預(yù)防，2006，1（3）：42-45.

[3]楊棟杰.30CrMnSi連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線(xiàn)的測(cè)定[J].機(jī)械工程師，2016（11）：127-128.

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Crack Analysis of Self-locking Nut

HUANG Chao，QIAN Zheng，OU Yang-kang
（WuHu State-owned Factory of Machining，Wuhu Anhui 241000，China）

Self-locking nut of certain aircraft had broken.Material of this self-locking nut is 30CrMnSiA.In order to understand the failure process，find out the cause of failure，it was taken appearance observation，stereomicroscope inspection，analysis of energy spectrum，analysis of metallographic structure，hardness detection to analyze breakage reason of self-locking nut.The results show that the breakage reason of self-locking nut is stress corrosion which satisfied the existence conditions of the stress corrosion elements.Coating of galvanization passivation had worse stain resistance，it can debase resistance of stress corrosion of self-locking nut.As the corrosion resistance of the material is related with the microstructure and the surface state.It was suggested that heat treatment and coating should control strictly in the process of manufacture of self-locking nut.

self-locking nut；30CrMnSiA；stress corrosion;galvanization passivation

TG172.3

A

1672-545X（2017）10-0187-03

2017-07-21

黃 超（1988-），男，安徽銅陵人，碩士研究生，工程師，主要研究方向：金屬材料材料失效分析。