楊 平 ， 李 波 ， 胡生雙 ， 王文博

（航空工業(yè)西安飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，西安 710089）

0 引言

2A12鋁合金因具有的比強(qiáng)度高，延展性好、易加工成型和電性能優(yōu)良等一系列優(yōu)點(diǎn)，在航空航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。鋁合金外套螺母是飛機(jī)上應(yīng)用較為廣泛的一種標(biāo)準(zhǔn)件，通常用于飛機(jī)上氧氣導(dǎo)管的連接、固定。外套螺母的結(jié)構(gòu)雖然簡單，但對飛機(jī)的氧氣導(dǎo)管的固定連接起到重要作用，并且影響飛行安全。外套螺母如出現(xiàn)裂紋、斷裂，將會導(dǎo)致氧氣導(dǎo)管失效，甚至造成嚴(yán)重事故。

外套螺母原材料為2A12鋁合金，材料狀態(tài)為固溶+自然時(shí)效，加工工藝流程為：下料→機(jī)械加工→熱處理→陽極氧化→檢驗(yàn)→入庫。

2A12鋁合金氧氣導(dǎo)管外套螺母在飛機(jī)服役過程中出現(xiàn)了裂紋。選取該典型故障零件，對裂紋宏觀形貌進(jìn)行觀察，并將裂紋打開獲取斷口進(jìn)行微觀形貌和金相組織分析，同時(shí)檢測基體化學(xué)成分。對測試結(jié)果進(jìn)行分析，判定裂紋產(chǎn)生的環(huán)節(jié)，分析裂紋的形成原因。

1 試驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1 外觀宏觀形貌

從外套螺母導(dǎo)管柱面看，其表面漆層均完好，無損傷痕跡。通過體視顯微鏡檢查，裂紋主要出現(xiàn)在螺母六方前端外圓區(qū)（圖1a）。對外套螺母六方前端外圓區(qū)進(jìn)行詳細(xì)檢查，在螺母端面可見多處微裂紋，端頭裂紋開口較寬，裂紋向螺母六方面延伸（圖1b）。從外套螺母端面看，端頭局部有多處裂紋，呈分叉狀，有的裂紋已穿透端面向軸向延伸（圖1c）。端面漆層并不完整，出現(xiàn)局部破損。

圖 1 裂紋宏觀形貌Fig.1 Macroscopic appearance of crack

1.2 裂紋斷口宏觀形貌

沿裂紋打開斷口，并通過體視顯微鏡觀察與分析，斷口宏觀形貌如圖2所示?？梢钥闯觯簲嗫谏狭鸭y區(qū)域斷面平齊，表面較平坦，呈暗灰色，無明顯的塑性變形；沿第一扣螺紋的附近斷面向里，可觀察到灰白色附著物堆積，程度遞減；打斷區(qū)呈纖維狀斷口特征，顏色呈亮金屬色，呈現(xiàn)塑性變形特征。

圖 2 斷口宏觀形貌Fig.2 Macroscopic appearance of fracture

1.3 裂紋斷口微觀形貌及能譜分析

進(jìn)一步通過掃描電鏡對裂紋斷口進(jìn)行微觀形貌分析?？捎^察到，斷口裂紋區(qū)域局部出現(xiàn)附著物聚集（圖3a），呈現(xiàn)泥紋狀花樣（圖3b）。對斷面上的聚集附著物進(jìn)行能譜成分分析，除基體元素外，還含有 C、O、Na、Cl、S等腐蝕性元素，對泥紋花樣表面進(jìn)行能譜成分分析，與聚集附著物成分相近，僅含量不同，為腐蝕產(chǎn)物。腐蝕產(chǎn)物膜的物理性質(zhì)對反應(yīng)物和產(chǎn)物的傳質(zhì)有較大的影響，因而對材料的電化學(xué)行為有著重要的影響。同時(shí)，腐蝕產(chǎn)物膜的疏松致密、厚薄及結(jié)構(gòu)和組成等與基體腐蝕的發(fā)展密不可分[2-6]。

圖 3 斷口微觀形貌Fig.3 Micro morphology of fracture

采用70%（體積分?jǐn)?shù)）的硝酸水溶液對斷口表面進(jìn)行清洗后再進(jìn)行觀察，斷口上的附著物基本清除，第一扣螺紋附近的斷面上局部仍有腐蝕產(chǎn)物，該處應(yīng)為裂紋起源部位，斷口向里，表面較平坦，呈沿晶開裂特征（圖3c）。擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)分界明顯，瞬斷區(qū)為韌窩形貌（圖3d）。

1.4 金相組織檢測

對螺母端面橫向切取并制備試樣進(jìn)行觀察。未經(jīng)腐蝕時(shí)，端面可見多處裂紋，裂紋呈分叉狀（圖4a、圖4b）。經(jīng)腐蝕后，顯微組織為Al的α固溶體，無過燒，裂紋呈沿晶形貌（圖4c、圖4d）。這說明外套螺母開裂并不是由2A12鋁合金組織缺陷引起的。

圖 4 金相組織Fig.4 Metallographic structure

1.5 化學(xué)成分分析

對外套螺母的基體材料進(jìn)行化學(xué)成分分析，符合2A12鋁合金材料技術(shù)要求[7-8]。

2 分析與討論

通過觀察可知，螺母裂紋均起始于螺母端頭附近；斷口無明顯的塑性變形，顏色為暗灰色，裂紋區(qū)域的斷口表面有附著物，微觀呈沿晶開裂形貌。第一扣螺紋的附近斷面向里，可見灰白色的附著物，經(jīng)能譜分析可知，除基體元素外，還含有C、O、Cl、S、Na等腐蝕性元素且含量較高，說明斷口表面的附著物為腐蝕產(chǎn)物，且該處的腐蝕物聚集嚴(yán)重，說明裂紋的起源位于此區(qū)域。端面上的裂紋呈分叉狀，呈沿晶形貌，與裂紋斷口的微觀形貌相同。從裂紋宏觀和斷口形貌特征、成分分析結(jié)果，并結(jié)合金相觀察和端頭裂紋的形貌特征可判斷，外套螺母上的裂紋系應(yīng)力腐蝕裂紋[9-12]。

由于外套螺母所用的材料為2A12鋁合金，狀態(tài)為固溶+自然時(shí)效，因此易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的失效行為。外套螺母均是固定導(dǎo)管接頭的結(jié)構(gòu)件，通過螺紋緊固以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管的連接。當(dāng)裝配連接時(shí)，為使導(dǎo)管到達(dá)所需的密封性，需要擰緊外套螺母，在端面要與平管嘴配合，螺紋部位要擰緊配合，致使外套螺母的螺紋前幾扣和端面部位不僅產(chǎn)生大的軸向應(yīng)力，而且產(chǎn)生大的周向應(yīng)力。這樣的周向應(yīng)力狀態(tài)就成為螺母在這些部位產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋的主要應(yīng)力來源。在外套螺母擰緊時(shí)，由于端面或螺紋的前幾扣均產(chǎn)生較大應(yīng)力，端頭出現(xiàn)變形磨損或螺紋配合磨損，導(dǎo)致此處出現(xiàn)膜層損傷。當(dāng)外套螺母接觸到腐蝕環(huán)境時(shí)，在腐蝕介質(zhì)與螺母周向應(yīng)力的共同作用下，膜層損傷處成為應(yīng)力腐蝕裂紋源頭，并不斷地由端面向里的軸向擴(kuò)展。

3 結(jié)論

1）2A12鋁合金外套螺母裂紋是應(yīng)力腐蝕裂紋，裂紋呈分叉狀，斷口具有泥紋狀花樣腐蝕產(chǎn)物。

2）在裝配連接過程中，外套螺母端面或螺紋處產(chǎn)生的周向應(yīng)力，是出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋的主要應(yīng)力來源。

3）應(yīng)力腐蝕裂紋源頭主要出現(xiàn)在外套螺母的螺紋前幾扣和端面部位，端面變形磨損或螺紋配合磨損引起局部膜層損傷和抗腐蝕能力下降，是導(dǎo)致該處成為應(yīng)力腐蝕裂紋源頭的主要原因。