柳星，譚陽露，趙連紅，張紅飛

（1.中國特種飛行器研究所 結構腐蝕防護與控制航空科技重點實驗室，荊門 448035；2.中南民族大學，化學與材料科學學院，武漢 430074）

引言

螺栓作為飛機結構中傳遞力作用的重要組成單元，其安全性能對于飛機整體結構的可靠性具有重要影響。螺栓在實際工作狀態(tài)下常隨著飛機部件一起承受疲勞載荷作用，螺栓的疲勞損傷將逐漸累積，而隨著服役時間的增長，螺栓又不可避免的產生腐蝕，腐蝕引起的局部應力增大加速了螺栓的疲勞失效過程，因此在研究螺栓的可靠性時，將腐蝕破壞與疲勞失效綜合考慮就顯得尤為重要。

螺栓作為飛機結構的重要連接件，國內外專家學者對其進行了廣泛的研究。在材質方面，已有對20MnTiB、35VB、42CrMoA 高強螺栓斷裂失效性分析的研究報道。王天宰[1]對35VB 鋼制成的10.9 級M27 螺栓在潮濕空氣中發(fā)生延滯斷裂的可靠性進行了分析與探討。張鵬飛[2]對45 鋼和20MnTiB 鋼經(jīng)調質后，進行了組織及性能的對比，研究了其力學、防腐及疲勞性能的差異。胡杰[3]等對20MnTiB 鋼制成的10.9 級M24 已失效高強螺栓的斷裂原因進行了檢驗分析。邱萍[4]等對304 不銹鋼螺栓進行了海洋腐蝕環(huán)境與淡水腐蝕環(huán)境的腐蝕行為對比研究分析，結果表明304 不銹鋼在海水環(huán)境種的腐蝕速率大大超過了淡水環(huán)境，大約是淡水環(huán)境中的2 倍。關于實際應用環(huán)境的腐蝕狀況對螺栓的影響研究較少。在螺栓的腐蝕研究方面，尤其是腐蝕后的疲勞性能，也是在設計使用過程中需要重點考慮的問題之一。Barsom[5]通過數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)腐蝕后試件的疲勞壽命會顯著降低，這是因為腐蝕后試驗件表面常產生局部破壞缺陷，在外界載荷的進一步作用下，更容易導致局部應力集中引發(fā)材料進一步破壞。Lachowicz[6]等通過金相檢驗的方法對高強度螺栓腐蝕疲勞性能進行評價，發(fā)現(xiàn)循環(huán)疲勞荷載和腐蝕環(huán)境的共同作用是導致高強度螺栓疲勞破壞的原因。文娟[7]等針對朝天門大橋脫落斷裂的高強度螺栓進行了疲勞性能研究，發(fā)現(xiàn)高強度螺栓的斷裂失效與大氣腐蝕環(huán)境有關。鄭凱峰和張宇等[8,9]利用中性鹽霧干濕循環(huán)腐蝕試驗方法，進行了HPS485W 和Q345CNH 的加速腐蝕試驗和疲勞性能測試試驗，試驗結果發(fā)現(xiàn)耐候鋼和高強鋼在腐蝕后，鋼材在外界腐蝕環(huán)境作用下，表面產生了很多蝕坑，而疲勞裂紋都優(yōu)先出現(xiàn)在蝕坑位置。腐蝕蝕坑的存在降低了材料的疲勞性能，降低的程度又會受到周多因素的影響，比如腐蝕環(huán)境、材料特性、實際工作狀態(tài)[10]等。

到目前為止，已有很多關于螺栓材料、性能方面的研究，但是對應用方面的研究很少。比如對螺栓作為結構的連接節(jié)點方面的研究，數(shù)量十分有限，因此應該增加對螺栓應用實例方面的研究。本文從30CrMnSiA 螺栓實際應用狀態(tài)出發(fā)設計了螺栓陪試件，連同陪試件一起進行了加速腐蝕試驗，并且分析了腐蝕后螺栓的疲勞力學性能，這對于螺栓的實際應用具有重要意義。

1 螺栓加速腐蝕試驗

1.1 螺栓技術狀態(tài)

采用貴州航銳公司生產的HB1-106-8×82×3.5 鋼制螺栓（30CrMnSiA），螺栓實際狀態(tài)如圖1 所示。為了模擬螺栓實際工作狀態(tài)需要在螺栓上額外添加陪試件，陪試件與試驗件的安裝方式及選材與飛機狀態(tài)一致，試驗件支持分為無預應力狀態(tài)和有預應力狀態(tài)，飛機無預應力狀態(tài)模擬飛機停放狀態(tài)試驗件情況，有預應力狀態(tài)模擬飛機受載狀態(tài)時試驗件情況，飛機工作時螺栓試驗件只承受剪切載荷，單個螺栓試驗件所受剪切力為15 200 N，因此經(jīng)過計算需要在有預應力狀態(tài)時對單個螺栓施加15.2 N·m 的擰緊力矩。陪試件詳細信息見表1，技術狀態(tài)如圖2 所示。

表1 試驗件技術狀態(tài)

圖1 螺栓外觀圖

圖2 陪試件技術狀態(tài)圖

1.2 加速腐蝕試驗

腐蝕環(huán)境試驗主要包括濕熱暴露試驗、鹽霧試驗兩部分。

濕熱暴露試驗相對濕度控制為（95±2）%，溫度為（43±2）℃，暴露時間為7.5 d（180 h）；

鹽霧試驗包括中性鹽霧試驗和酸性鹽霧試驗，中性鹽霧為5%的NaCl 溶液，鹽霧沉降量為（1.0～2.0）mL/（80 cm2·h），試驗時間5 d。酸性鹽霧為在5 %的NaCl 溶液中加入H2SO4，使溶液pH=4.0±0.2，試驗試件1 d（24 h），溫度為（45±2）℃。

1.3 疲勞試驗

采用疲勞試驗機（LandMark-250）進行螺栓的疲勞試驗，加載波形為正弦波，設置最大加載力為15 200 N，應力比為0.06，疲勞加載頻率為10 Hz，每一年日歷期的疲勞循環(huán)次數(shù)為5 000 次。

1.4 剪切試驗

采用疲勞試驗機（LandMark-250）進行螺栓的剪切試驗，試驗加載速率為70 kN/min，剪切至螺栓斷裂為止。

式中：

F合—螺栓剪切破壞時的最大載荷；

F1—單個截面承受的剪切力；

S—螺栓截面面積；

σ—螺栓單個截面上的剪切應力。

1.5 螺栓表面銹層宏觀形貌分析

采用目視檢查的方法對螺栓表面宏觀形貌進行檢查分析，并使用數(shù)碼相機進行拍照記錄。

1.6 螺栓表面銹層微觀形貌分析

使用科視達體式顯微鏡（KH-7700）在不同放大倍數(shù)下對螺栓表面腐蝕形態(tài)進行拍照記錄。

2 結果與討論：

2.1 螺栓表面宏觀形貌分析

對無預應力螺栓進行目視檢查，并且使用數(shù)碼相機對螺栓的表面進行拍照記錄。經(jīng)過1 年日歷期的腐蝕環(huán)境試驗后，無預應力螺栓表面情況如圖3（a）所示。經(jīng)過濕熱暴露與鹽霧環(huán)境試驗后，無預應力螺栓表面發(fā)生了明顯的銹蝕情況，此時無預應力螺栓表面呈現(xiàn)明顯凹凸不平狀態(tài)，螺栓暴露部位出現(xiàn)大面積銹蝕現(xiàn)象；無預應力螺栓經(jīng)過2 年日歷期的腐蝕環(huán)境試驗后，螺栓表面情況如圖3（b）所示。無預應力螺栓表面銹蝕情況更加嚴重，銹蝕區(qū)域進一步擴大，幾乎覆蓋整個裸露部位，螺栓表面出現(xiàn)金屬層脫落現(xiàn)象；無預應力螺栓經(jīng)過3 年日歷期的環(huán)境試驗后，無預應力螺栓表面情況如圖3（c）所示。無預應力螺栓表面銹蝕情況進一步加重，無預應力螺栓暴露部分被銹跡完全包裹，金屬表層發(fā)生脫落。試件主要在酸性鹽霧環(huán)境下腐蝕，鹽霧均勻地落在試件表面，試件被全面腐蝕，銹層表面整體呈黃褐色，螺栓表面大面積起皮、部分位置有裂縫，鼓泡較多且隨著環(huán)境日歷期的增加而增大。外部銹層呈片狀大塊脫落，表面銹層脫落后內部銹層呈現(xiàn)褐色，部分位置為黑色，黑色銹層與未腐蝕的螺栓材料貼合更緊。

圖3 環(huán)境試驗后無預應力螺栓外觀圖

經(jīng)過1 年日歷期環(huán)境試驗后，有預應力螺栓表面情況如圖4（a）所示。經(jīng)過濕熱暴露試驗與鹽霧環(huán)境試驗后，有預應力螺栓表層為褐色腐蝕產物，下層為黑色腐蝕產物，此時螺栓表面仍可以觀察到金屬底層。2 年日歷期加速腐蝕環(huán)境試驗后，螺栓表面褐色腐蝕產物顏色進一步加深，腐蝕區(qū)域的面積進一步擴大。3 年日歷期加速腐蝕環(huán)境試驗后，螺栓表面腐蝕產物進一步增多，螺栓外銹層疏松易脫落。有預應力螺栓在環(huán)境試驗中同樣主要受鹽霧試驗影響，受濕熱影響較小。螺栓表面圓形鼓泡逐漸增多，面積逐漸增大，表面愈發(fā)凹凸不平。在拆除陪試件后，可以看見腐蝕主要發(fā)生在中間暴露部分，而在陪試件包裹位置未發(fā)生腐蝕，無明顯銹層。

圖4 環(huán)境試驗后有預應力螺栓外觀圖

對比分析圖3 與圖4 中螺栓的腐蝕情況，發(fā)現(xiàn)兩者情況大致相同，螺栓表面均為褐色腐蝕產物，內部為黑色的腐蝕產物。陪試件的存在于腐蝕環(huán)境中對螺栓起到了一定的保護作用，從外觀來看螺栓與陪試件接觸部位均未發(fā)生銹蝕。

2.2 螺栓表面微觀形貌分析

使用三維數(shù)字顯微鏡對螺栓表面銹蝕區(qū)域做進一步觀察記錄。放大倍數(shù)為150X，結果如圖5 所示。無預應力螺栓微觀腐蝕形貌與有預應力螺栓相似，1 年日歷期時，螺栓表面銹層顏色較淺；2 年日歷期后，螺栓表面銹層顏色加深，并且銹層開始逐漸連成一小片區(qū)域；3 年日歷期后，螺栓表面銹層顏色進一步加深，表面更加凹凸不平，銹層發(fā)展成一整片區(qū)域。

圖5 環(huán)境試驗后螺栓局部微觀圖

實際工作環(huán)境中，金屬在大氣環(huán)境條件下，其表面會附著一層極薄的水膜，當水膜積累到一定的厚度后，就會構成電化學腐蝕所需的電解液膜，進而誘發(fā)產生電化學腐蝕。在鹽霧環(huán)境試驗箱中進行鹽霧試驗時，噴霧降落在試件表面形成積液，可以直接對試件造成腐蝕，這也是鹽霧會加速腐蝕進程的原因，而溶液中的H+也會進一步加快腐蝕發(fā)生的速率。

由于在螺栓鋼材表面存在電解液膜，以及螺栓鋼材本身的電化學不均勻性，就形成了腐蝕微電池，材料表面受到腐蝕。

在螺栓鋼材表面發(fā)生金屬的陽極溶解反應：

而在相鄰的金屬面上，就會發(fā)生陰極反應：

隨著Fe3+濃度的增高，與氯離子結合成金屬氯化物發(fā)生水解，生成鐵銹：

均勻腐蝕時，金屬表面上發(fā)生陽極反應和陰極反應的概率相同，兩種反應的表面位置會不斷的隨機變動。在發(fā)生點蝕時，會在點蝕坑底部聚集Fe3+，加快蝕坑內鋼材的腐蝕速度。

2.3 螺栓力學性能

光桿螺栓經(jīng)過1 年日歷期、2 年日歷期和3 年日歷期環(huán)境試驗后，無預應力螺栓剪切強度數(shù)據(jù)結果如表2所示，有預應力螺栓剪切強度具體數(shù)據(jù)值見表3。

表2 無預應力螺栓剪切強度數(shù)據(jù)結果

表3 有預應力螺栓剪切強度數(shù)據(jù)結果

2.3.1 環(huán)境日歷期對力學性能的影響

無預應力螺栓在無疲勞工況下，剪切強度隨環(huán)境日歷期的變化關系如圖6 所示，經(jīng)過3 個周期的腐蝕環(huán)境試驗，剪切強度分別為744 MPa、745 MPa、752 MPa、756 MPa，強度數(shù)據(jù)在初始狀態(tài)下最大變化率為1.6 %；5 000 次疲勞工況時，無預應力螺栓在初始狀態(tài)和1 年日歷期下的剪切強度分別為746 MPa 和750 MPa，強度數(shù)據(jù)在初始狀態(tài)基礎上改變了0.5 %；10 000 次疲勞工況下，無預應力螺栓在初始狀態(tài)和2 年日歷期下的剪切強度分別為744 MPa 和753 MPa，強度數(shù)據(jù)在初始狀態(tài)基礎上改變了1.2 %；15 000 次疲勞工況下，無預應力螺栓在初始狀態(tài)和3 年日歷期下的剪切強度分別為748 MPa 和757 MPa，強度數(shù)據(jù)在初始狀態(tài)基礎上改變了1.2 %。

圖6 無預應力螺栓剪切強度隨環(huán)境日歷期變化圖

有預應力螺栓在無疲勞工況時，剪切強度隨環(huán)境日歷期的變化關系如圖7 所示，1 年日歷期、2 年日歷期、3 年日歷期下的剪切強度分別為748 MPa、753 MPa、757 MPa，在初始狀態(tài)的基礎上最大變化率為1.2 %。

圖7 有預應力螺栓剪切強度隨環(huán)境日歷期變化圖

數(shù)據(jù)結果說明，螺栓在疲勞工況相同條件下，剪切力學性能受腐蝕周期變化影響不大，這是因為螺栓受剪切作用部位為非剪切區(qū)域，加速腐蝕環(huán)境試驗后螺栓腐蝕區(qū)域未對鄰近受剪切作用部位造成影響，因此螺栓剪切承載能力與初始狀態(tài)相近，無明顯改變。

2.3.2 疲勞循環(huán)次數(shù)對力學性能的影響

無預應力螺栓初始狀態(tài)下，剪切強度隨疲勞循環(huán)次數(shù)的變化關系如圖8 所示，經(jīng)過0 次、5 000 次、10 000 次、15 000 次疲勞循環(huán)測試，剪切強度分別為744、746、744、748 MPa，強度數(shù)據(jù)在初始狀態(tài)下的最大變化率為0.5 %；1 年日歷期下，無預應力螺栓在0 次和5 000次疲勞工況下的剪切強度分別為746 MPa 和750 MPa，強度變化率為0.5 %；2 年日歷期下，無預應力螺栓在0次和10 000 次疲勞工況下的剪切強度分別為744 MPa 和753 MPa，強度變化率為1.2 %；3 年日歷期下，無預應力螺栓在0 次和15 000 次疲勞工況下的剪切強度分別為748 MPa 和757 MPa，強度變化率為1.2 %。

圖8 無預應力螺栓剪切強度隨疲勞循環(huán)次數(shù)變化圖

圖9 有預應力螺栓剪切強度隨疲勞循環(huán)次數(shù)變化圖

有預應力螺栓在1 年日歷期下，剪切強度隨疲勞循環(huán)次數(shù)的變化關系如9 所示，疲勞循環(huán)次數(shù)分別為0 次和5 000 次時對應的剪切強度分別為748 MPa 和747 MPa，強度變化率為-0.1 %；有預應力螺栓在2 年日歷期下，疲勞循環(huán)次數(shù)分別為0 次和10 000 次時對應的剪切強度分別為753 MPa 和750 MPa，強度變化率為-0.3 %；有預應力螺栓在3 年日歷期下，疲勞循環(huán)次數(shù)分別為0 次和15 000 次時對應的剪切強度分別為757 MPa 和755 MPa，強度變化率為-0.2 %。

數(shù)據(jù)結果說明，無論飛機處于停放狀態(tài)還是實際飛行狀態(tài)，螺栓均能夠承載5 000～15 000 次的疲勞循環(huán)作用，并且在疲勞試驗之后螺栓承受剪切力作用的能力沒有明顯降低，這也是因為螺栓的腐蝕環(huán)境試驗較短，腐蝕破壞區(qū)域未對剪切承載位置造成影響，因此疲勞試驗后的剪切強度沒有明顯改變。

4 結論

短時間腐蝕環(huán)境日歷期對螺栓剪切力學性能無影響；疲勞循環(huán)次數(shù)對螺栓剪切力學性能無影響；腐蝕環(huán)境對螺栓外觀有顯著影響，對螺栓剪切力學性能無明顯影響；有無預應力對螺栓剪切力學性能無影響。因此，在螺栓的實際工況中，腐蝕環(huán)境僅在螺栓裸露部位產生腐蝕作用，而對螺栓實際受剪作用部位不會產生疲勞力學性能的明顯改變。