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        發(fā)電機(jī)用緊固件螺釘斷裂分析

        2023-02-02 07:09:22王婷軒喜瑜成智會
        金屬加工(熱加工) 2023年1期
        關(guān)鍵詞:氫脆緊固件斷口

        王婷,軒喜瑜,成智會

        陜西航空電氣有限責(zé)任公司 陜西興平 713100

        1 序言

        緊固件是將兩個或兩個以上零件通過一定過盈配合形式聯(lián)接或緊固在一起的一類機(jī)械零件,具有增加摩擦、防止松動等作用[1]。隨著汽車、電子、軍工、航空航天等行業(yè)的高速發(fā)展,緊固件的需求急劇增加,由于其使用領(lǐng)域廣泛,它的質(zhì)量安全問題直接關(guān)系到產(chǎn)品交付、產(chǎn)品質(zhì)量和人身安全[2-5]。

        氫脆是影響高強(qiáng)度緊固件質(zhì)量的重要因素之一,常表現(xiàn)為延時斷裂,其危害性極大,是一個不容忽視的重要問題,已引起整個緊固件行業(yè)及用戶的廣泛關(guān)注。截止目前,國內(nèi)多位學(xué)者對緊固件的斷裂問題進(jìn)行研究報道,孫小炎等[6-11]對緊固件的氫脆斷裂進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)氫脆斷裂現(xiàn)象與熱處理、電鍍、酸洗等有直接關(guān)系。總之,影響緊固件氫脆的因素很多,包括氫含量、工藝因素、材料組織狀態(tài)、材料強(qiáng)度、應(yīng)力因素等。

        我公司某發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子裝配緊固件螺釘在工作過程中發(fā)現(xiàn)斷裂,該螺釘規(guī)格為M5×20ZnD,是發(fā)電機(jī)上聯(lián)接主發(fā)轉(zhuǎn)子引出線和保護(hù)電阻引出線的一個零件,使電機(jī)正常發(fā)電,確保飛機(jī)正常工作。因此,本論文主要通過對斷裂螺釘進(jìn)行宏觀分析、電鏡能譜分析、化學(xué)成分分析、硬度檢測、金相檢驗、氫含量檢測等,以確定螺釘斷裂性質(zhì),并查找其失效的直接原因,從而為此類零件失效故障的研究和預(yù)防提供借鑒。

        2 試驗過程與結(jié)果

        2.1 宏觀觀察

        螺釘?shù)木唧w斷裂位置如圖1所示,斷裂位置在靠近螺釘頭部的第一螺牙根部。

        圖1 螺釘斷裂位置

        將螺釘頭部斷口放置于Leica MZ75體視顯微鏡下進(jìn)行觀察,斷口較平齊,呈亮灰色可見結(jié)晶顆粒,斷口有人字紋花樣,收斂于斷口左側(cè),斷口邊緣無明顯的宏觀塑性變形痕跡,未觀察到明顯冶金缺陷,形貌如圖2所示。

        圖2 螺釘斷口宏觀形貌

        2.2 微觀檢查

        將螺釘頭部斷口置于無水乙醇溶液中進(jìn)行超聲波清洗,置于VEGA Ⅱ LMH掃描電鏡下觀察,斷口可見放射棱線,收斂方向為裂紋萌生區(qū),形貌如圖3所示。放大觀察,微觀形貌大部分區(qū)域呈冰糖塊狀沿晶斷裂特征,晶面存在大量的雞爪痕狀撕裂棱,輪廓鮮明,斷口上可見二次裂紋,形貌如圖4、圖5所示。斷口較粗糙處為最后斷裂區(qū)呈等軸韌窩特征,可見螺釘開裂后受到的垂直應(yīng)力逐漸增大,微觀斷裂特征逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闇?zhǔn)解理,最后為韌窩形貌,如圖6所示。

        圖3 電鏡下螺釘斷口形貌

        圖4 沿晶冰糖塊狀形貌

        圖5 晶面雞爪痕狀形貌

        圖6 瞬斷區(qū)等軸韌窩形貌

        對斷口沿晶特征部分進(jìn)行能譜分析,其基體成分除Fe、C、S外,未檢測到其他元素,符合45A材料標(biāo)準(zhǔn)的要求。

        2.3 化學(xué)成分分析

        用直讀光譜儀對斷裂件基體進(jìn)行化學(xué)成分檢測,其結(jié)果見表1。該螺釘?shù)闹饕瘜W(xué)成分C、S、P,其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.42%、0.002%、0.017%,符合GJB 1951—1994標(biāo)準(zhǔn)45A要求。

        表1 螺釘化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))檢測結(jié)果(%)

        2.4 硬度檢測

        從斷裂螺釘中制取硬度試樣,用MH-5顯微硬度計檢測硬度,結(jié)果見表2。洛氏硬度HRC按照GB/T 1172—1999換算的抗拉強(qiáng)度平均值1452MPa,不符合設(shè)計資料要求,且材料實際強(qiáng)度比資料要求高很多,材料脆性傾向增大,這與熱處理工藝不當(dāng)有直接關(guān)系。建議調(diào)節(jié)材料硬度,使其滿足設(shè)計資料要求。

        表2 螺釘硬度檢測結(jié)果

        2.5 金相分析

        從斷裂螺釘上制取金相試樣,未腐蝕置于Leica DMR金相顯微鏡下觀察,基體非金屬夾雜物級別符合要求,未見其他冶金缺陷。將該試樣用4%硝酸酒精浸蝕后進(jìn)行觀察,其組織為回火索氏體且均勻一致,未見脫碳現(xiàn)象,形貌如圖7所示。

        圖7 基體金相組織

        2.6 氫含量檢測

        將斷裂螺釘進(jìn)行氫含量檢測,零件中的氫含量約為7ppm(1ppm=10-6),遠(yuǎn)高于材料中規(guī)定值,可見氫含量較高對氫脆斷裂更加敏感。該批零件進(jìn)行鍍鋅鈍化工藝后進(jìn)行除氫處理,除氫不完全或不及時都可能讓基體內(nèi)部的氫原子無法擴(kuò)散處理,聚集在基體應(yīng)力集中部位,受到較大載荷時發(fā)生斷裂。

        2.7 拉斷力試驗

        從庫存任取3件同批次螺釘,用CMT 5205微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)進(jìn)行拉力試驗,結(jié)果見表3。該螺釘?shù)目估瓘?qiáng)度值均高于設(shè)計要求800~1000MPa,不符合設(shè)計要求。

        表3 庫存螺釘拉力檢測結(jié)果(MPa)

        3 分析與討論

        由以上檢測結(jié)果可知,螺釘斷口未見冶金缺陷、化學(xué)成分符合要求,可排除因材料缺陷導(dǎo)致的斷裂。通過微觀觀察可知,斷口較干凈且無腐蝕產(chǎn)物,呈沿晶斷裂特征。其晶面干凈,晶粒輪廓清晰,沒有附著物,部分晶面可見大量雞爪形的撕裂棱。

        為了確保螺釘在交變沖擊和振動的工作環(huán)境下能承受較大的拉力和剪力,不僅需較高強(qiáng)度,還需高的耐沖擊性能。由硬度檢測結(jié)果可知,硬度換算的抗拉強(qiáng)度值遠(yuǎn)高于設(shè)計要求。零件雖符合高強(qiáng)度的要求,但材料的臨界應(yīng)力變低,孕育期越短,在多次交變、沖擊等載荷下,其脆性斷裂傾向增大。該零件同批次的強(qiáng)度值與失效件相當(dāng),均遠(yuǎn)高于設(shè)計要求,而該材料的強(qiáng)度較高與熱處理工藝有關(guān),建議調(diào)整該螺釘?shù)臒崽幚砉に?,使其?qiáng)度略高于標(biāo)準(zhǔn)要求,保持材料的塑性,降低脆性斷裂的敏感性。

        由該零件工藝可知,失效螺釘進(jìn)行鍍鋅鈍化處理,測量失效件的氫含量較大,可能在酸性溶液中時間過長或溫度過高,零件就會大量吸收氫原子,鍍鋅工序后沒有及時除氫或除氫不充分,原子狀態(tài)的氫就會滲入到鍍層底部,經(jīng)過一段時間后氫擴(kuò)散到金屬內(nèi)部,特別是聚集在金屬內(nèi)部缺陷或應(yīng)力集中部位,在零件中很難擴(kuò)散出來,當(dāng)局部氫含量達(dá)到一定程度后使基體脆化,最終發(fā)生氫脆斷裂。該氫原子的存在使材料對氫敏感性增加,建議在鍍鋅工藝之后,對零件及時除氫或延長除氫時間,減少氫脆斷裂的可能性。

        4 結(jié)束語

        1)螺釘斷裂為氫脆斷裂。

        2)螺釘強(qiáng)度偏高,不符合設(shè)計資料要求,使材料基體脆性斷裂傾向增大。建議調(diào)整熱處理制度,使螺釘強(qiáng)度符合技術(shù)要求,降低材料的脆性斷裂敏感性。

        3)螺釘基體氫含量較大,氫主要來源于表面處理中鍍鋅鈍化后除氫不及時或不徹底,建議及時除去零件中的氫原子或延長除氫時間。

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