(北京星航機(jī)電裝備有限公司, 北京100074)

螺栓連接是金屬材料鉚接、焊接之外的一種重要連接方式，具有操作簡(jiǎn)單、可拆卸等優(yōu)點(diǎn)[1]，被廣泛應(yīng)用在航空、機(jī)械、交通、能源等行業(yè)[2-8]。由于30CrMnSiA鋼在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下具有較高的強(qiáng)度和足夠的韌性，在航空行業(yè)被廣泛應(yīng)用于制造對(duì)接接頭、軸、齒輪和螺栓等[9]。

某30CrMnSiA鋼螺栓規(guī)格為M5 mm×16 mm，按照航空工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HB 1-130—2002《十字槽90°沉頭螺栓》的技術(shù)要求制造。在采用該螺栓對(duì)某航空結(jié)構(gòu)壁板進(jìn)行連接裝配時(shí)螺栓發(fā)生了斷裂，現(xiàn)場(chǎng)使用的20件螺栓中有4件發(fā)生了斷裂。為查明30CrMnSiA鋼螺栓的斷裂原因，筆者對(duì)斷裂螺栓進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析，便于采取相應(yīng)措施避免類似失效事故再次發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 斷口分析

圖1 斷裂螺栓斷口的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of fracture of fractured bolts：a) sample 1; b)sample 2

取兩件斷裂螺栓，分別編號(hào)為試樣1，2，對(duì)斷裂螺栓的斷口進(jìn)行觀察，宏觀形貌如圖1所示，可見(jiàn)斷裂位置均位于螺紋根部，斷口較為平齊，成纖維狀，有明顯的塑性變形，瞬斷區(qū)表面粗糙，斷口為典型的扭斷斷口[10-11]。

采用掃描電鏡(SEM)進(jìn)一步對(duì)試樣1，2的斷口進(jìn)行觀察，可見(jiàn)斷口均呈韌窩形貌，瞬斷區(qū)均為等軸韌窩形貌，如圖2所示。瞬斷區(qū)以外的區(qū)域均為拉長(zhǎng)的韌窩形貌，其韌窩具有明顯的方向性，如圖3所示。

圖2 瞬斷區(qū)的等軸韌窩SEM形貌Fig.2 SEM morphology of equiaxed dimples intransient fracture region

圖3 瞬斷區(qū)之外的拉長(zhǎng)韌窩SEM形貌Fig.3 SEM morphology of elongated dimples outside thetransient fracture region

1.2 硬度測(cè)試

在試樣1，2的斷口上取點(diǎn)進(jìn)行維氏硬度測(cè)試，結(jié)果如表1所示，可知試樣1，2硬度的平均值分別為358，361 HV10，根據(jù)GB/T 1172—1999《黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值》轉(zhuǎn)換為強(qiáng)度可得螺栓材料的抗拉強(qiáng)度分別為1 164，1 174 MPa，進(jìn)一步轉(zhuǎn)換可得螺栓的破壞拉力分別為16 530，16 670 N。根據(jù)HB 1-130—2002的要求，螺栓材料的強(qiáng)度應(yīng)在1 080～1 280 MPa，破壞拉力應(yīng)不低于14 500 N，可見(jiàn)螺栓材料的強(qiáng)度和破壞拉力均符合制造標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表1 螺栓維氏硬度測(cè)試結(jié)果Tab.1 Vickers hardness test results of bolts HV10

1.3 金相檢驗(yàn)

在試樣1,2的斷口附近取樣制備金相試樣，采用光學(xué)顯微鏡對(duì)其顯微組織進(jìn)行觀察，可見(jiàn)其顯微組織均為正常的回火索氏體，試樣1顯微組織形貌如圖4所示。將螺栓沿軸向剖開(kāi)，對(duì)螺紋根部顯微組織進(jìn)行觀察，可見(jiàn)螺紋根部無(wú)裂紋，為正常的滾制螺紋變形組織，螺紋表面也未發(fā)生脫碳，試樣1螺紋根部顯微組織形貌如圖5所示。

圖4 斷裂螺栓試樣1的顯微組織形貌Fig.4 Microstructure morphology of sample 1 of fractured bolt

圖5 斷裂螺栓試樣1螺紋根部顯微組織形貌Fig.5 Microstructure morphology of the root ofsample 1 of fractured bolt thread

2 分析與討論

理化檢驗(yàn)結(jié)果表明，斷裂螺栓的強(qiáng)度和破壞拉力符合標(biāo)準(zhǔn)對(duì)30CrMnSiA鋼的技術(shù)要求。螺栓的顯微組織正常，螺紋根部無(wú)裂紋，為正常的滾制螺紋變形組織。

斷口分析結(jié)果表明，螺栓斷口較為平齊，成纖維狀，有明顯的塑性變形，瞬斷區(qū)表面粗糙，斷口呈典型的塑性材料扭轉(zhuǎn)斷裂形貌特征。整個(gè)斷口均呈韌窩形貌，表明其斷裂模式為韌性斷裂。

對(duì)于塑性材料，在超過(guò)材料強(qiáng)度極限的扭轉(zhuǎn)載荷作用下，其會(huì)在切應(yīng)力作用下發(fā)生切斷，形成的斷口與材料的軸線垂直，且斷口較為平齊，有回旋狀塑性變形痕跡[12]。螺栓在裝配過(guò)程中承受扭轉(zhuǎn)應(yīng)力載荷，螺栓材料在其制造標(biāo)準(zhǔn)條件下表現(xiàn)出明顯的塑性變形，且其斷口呈典型的塑性材料扭轉(zhuǎn)斷裂形貌特征，結(jié)合螺栓的強(qiáng)度、顯微組織均符合制造標(biāo)準(zhǔn)要求，判斷螺栓斷裂是由于其在裝配過(guò)程中承受的載荷過(guò)大而導(dǎo)致的過(guò)載扭轉(zhuǎn)斷裂。

在采用螺栓和螺母配合對(duì)構(gòu)件進(jìn)行裝配緊固時(shí)，是采用扭轉(zhuǎn)力矩將其擰緊，扭轉(zhuǎn)使得螺栓因受力而發(fā)生微量變形，并因抵抗變形而產(chǎn)生軸向力，該軸向力起到緊固的作用。由于扭轉(zhuǎn)在螺栓的螺紋根部形成了切應(yīng)力，使得螺栓斷裂所需的扭轉(zhuǎn)力低于軸向拉伸時(shí)把螺栓拉斷所需的拉力，約為軸向拉力的80%[10]，因此在裝配緊固小尺寸螺栓、螺釘時(shí)，應(yīng)防止施加的扭轉(zhuǎn)載荷過(guò)大而導(dǎo)致其斷裂。螺栓在裝配過(guò)程中，兩名操作工用套筒扳手各在一側(cè)對(duì)螺栓和螺母分別擰緊，兩人同時(shí)快速用力，這種裝配方式難以控制施力大小，容易瞬時(shí)施加較大的扭轉(zhuǎn)力，使得螺栓因過(guò)載而斷裂。

3 結(jié)論及建議

螺栓斷裂模式為韌性斷裂，螺栓的材料不存在質(zhì)量問(wèn)題，是裝配過(guò)程中工作人員操作不當(dāng)，施加的扭轉(zhuǎn)載荷過(guò)大導(dǎo)致螺栓因過(guò)載而斷裂。

為避免因裝配應(yīng)力過(guò)大導(dǎo)致螺栓扭轉(zhuǎn)斷裂，需制定合適的裝配工藝，并控制好裝配扭力。建議兩名操作工在裝配時(shí)，一人不轉(zhuǎn)動(dòng)扳手，僅負(fù)責(zé)用扳手將螺母固定即可，另一人則負(fù)責(zé)用扭矩扳手將螺栓擰緊，且嚴(yán)格控制擰緊力矩使其不會(huì)導(dǎo)致螺栓過(guò)載。采取以上措施后，幾乎沒(méi)有發(fā)生過(guò)螺栓過(guò)載扭轉(zhuǎn)斷裂事故。