許永春,程全士,許彥偉,竇建偉,張曉玲,徐 儉,王 妍,姚 爽

(1.航天精工股份有限公司,天津 300300;2.天津市緊固連接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300300)

0Cr12Mn5Ni4Mo3Al(69111)不銹鋼是我國(guó)20世紀(jì)60年代發(fā)展和應(yīng)用的一種半奧氏體節(jié)鎳控制相變沉淀硬化不銹鋼,該材料在固溶狀態(tài)下組織為奧氏體,具有良好的韌性以及加工成形性能,經(jīng)過(guò)適當(dāng)冷變形、冷處理以及時(shí)效后,部分組織可轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體,從而獲得很高的強(qiáng)度[1-2]。該材料具有高強(qiáng)度,在航空、航天等工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,也被用于生產(chǎn)各類緊固件[3]。

采用高強(qiáng)度鋼如30Cr MnSiNi2A 等加工的飛機(jī)用螺栓和螺母等零件,需在表面鍍鎘保護(hù),這不僅增加了氫脆風(fēng)險(xiǎn),當(dāng)此類緊固件與鈦合金產(chǎn)品配合使用時(shí),還會(huì)促使鈦合金產(chǎn)品在高溫下產(chǎn)生鎘脆[4]。因此,常采用0Cr12Mn5Ni4Mo3Al不銹鋼代替高強(qiáng)鋼使用。 郭先闖等[5]研究了某航天用0Cr12Mn5Ni4Mo3Al不銹鋼波形彈性墊圈裝配后的斷裂問(wèn)題,發(fā)現(xiàn)沖裁成形時(shí)彎折參數(shù)不當(dāng)和原材料強(qiáng)度較高是造成該墊圈安裝后開裂的根本原因;楊勝等[6]研究了0Cr12Mn5Ni4Mo3Al不銹鋼彈簧的斷裂問(wèn)題,發(fā)現(xiàn)材料中含有較多的脆性?shī)A雜物是造成彈簧低溫脆斷的根本原因。

裝配在某型飛機(jī)上的某自鎖螺母(MJ14)采用0Cr12Mn5Ni4Mo3Al不銹鋼,抗拉強(qiáng)度≥1 500 MPa,使用環(huán)境主要為大氣環(huán)境和短時(shí)海洋大氣環(huán)境,服役近4 a,檢修拆卸、安裝時(shí)發(fā)現(xiàn)該螺母存在開裂現(xiàn)象。筆者對(duì)開裂螺母進(jìn)行了理化分析,以期找到失效原因,提升螺母服役質(zhì)量。

1 理化檢驗(yàn)與結(jié)果

1.1 化學(xué)成分

對(duì)開裂螺母取樣,采用OPTIMA 7000DV 型電感耦合等離子光譜儀和CS744型碳硫分析儀進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示,開裂螺母化學(xué)成分符合0Cr12Mn5Ni4Mo3Al不銹鋼棒技術(shù)條件要求。

表1 開裂螺母的化學(xué)成分Tab.1 Chemical Composition of the cracked nut

1.2 宏觀形貌

由圖1可見(jiàn):開裂螺母表面存在黑色油脂,外觀未見(jiàn)明顯機(jī)械損傷,螺母開裂位置位于六方扳擰面近中間,裂紋沿軸向貫穿整個(gè)螺母,螺栓光桿受力部位表面存在局部磨損,表明螺栓在使用過(guò)程中存在一定的偏載;人工打開裂紋,根據(jù)斷口表面顏色將其分為A、B兩區(qū),A 區(qū)色彩較暗,表面較為粗糙,呈銹黃色腐蝕形貌,B區(qū)顏色呈灰白色;法蘭面與螺母體交接處表面有點(diǎn)狀銹蝕痕跡。

圖1 開裂螺母的目視檢查及顯微鏡觀察結(jié)果Fig.1 Visual inspection（a）and microscopy observation（b，c）results of the cracked nut

1.3 微觀形貌

由圖2可知:A 區(qū)微觀斷口呈沿晶和準(zhǔn)解理特征,斷口外表面被腐蝕產(chǎn)物覆蓋,局部可見(jiàn)泥紋狀花樣,斷口次表面沿晶特征明顯,擴(kuò)展區(qū)呈準(zhǔn)解理特征,斷面存在較多二次裂紋;B 區(qū)域主要為韌窩形貌,無(wú)明顯冶金缺陷。

圖2 開裂螺母的斷口微觀形貌Fig.2 Micro morphology of fracture of cracked nut：（a）outer edge of flange face in zone A；（b）mud patternin in zone A；（c）intergranular characteristics and corrosion products in zone A；（d）intergranular characteristics in zone A；（e）crack extension area in zone A；（f）zone B

對(duì)A 區(qū)和B區(qū)進(jìn)行表面能譜分析,結(jié)果如表2所示,A 區(qū)表面局部高含O 元素及腐蝕性Cl、S元素;B 區(qū)均為0Cr12Mn5Ni4Mo3Al不銹鋼的基體元素。

表2 斷口表面的能譜分析結(jié)果Tab.2 EDS analysis results of the fracture surface

從裂紋部位取樣,采用Imager.A1m 型光學(xué)顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察。由圖3可知:裂紋沿晶界擴(kuò)展,斷面存在較多二次裂紋且末端呈分叉特征,裂紋附近未見(jiàn)對(duì)力學(xué)性能有較大影響的非金屬夾雜物;顯微組織為馬氏體+沉淀硬化相+少量δ-鐵素體,無(wú)過(guò)熱、過(guò)燒等冶金缺陷。

圖3 斷口部位拋光態(tài)形貌及顯微組織Fig.3 Polished morphology（a，b）and microstructure（c，d）on the surface of fracture

1.4 硬度

測(cè)試裂紋部位的維氏硬度,結(jié)果表明:A 區(qū)和B區(qū)硬度無(wú)明顯差異,平均值均為516 HV,均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求(461～520 HV)。

2 討 論

開裂螺母和配套安裝螺栓外觀無(wú)明顯機(jī)械損傷,螺栓光桿受力部位存在磨損不均勻,表明螺栓受到一定的偏載作用;螺母開裂位置位于接近六方面中心部位,裂紋為貫穿性裂紋,裂紋周圍無(wú)明顯塑性變形痕跡;人工打開螺母表面,A 區(qū)呈黃色腐蝕形貌,斷面較為粗糙,可見(jiàn)顆粒狀形貌,微觀形貌呈沿晶+準(zhǔn)解理,局部呈泥狀花樣,擴(kuò)展區(qū)存在較多二次裂紋;B區(qū)呈灰白色,微觀形貌主要為韌窩。能譜分析結(jié)果表明,A 區(qū)含有較多的O 元素和腐蝕性Cl、S等元素,B區(qū)為材料基體元素。顯微組織觀察顯示,A 區(qū)存在較多的沿晶二次裂紋且末端呈分叉形貌,顯微組織為馬氏體+沉淀硬化相+少量δ-鐵素體,無(wú)過(guò)熱、過(guò)燒等冶金缺陷。A 區(qū)和B 區(qū)的維氏硬度無(wú)明顯差異。

螺母斷口表面呈沿晶和準(zhǔn)解理特征的腐蝕形貌,局部有泥紋狀花樣。斷面存在腐蝕性元素Cl、S及較多二次裂紋等典型應(yīng)力腐蝕特征,這說(shuō)明螺母可能發(fā)生了應(yīng)力腐蝕開裂。金屬材料產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂應(yīng)具備以下條件:材料具有應(yīng)力腐蝕敏感性;受力狀態(tài)必須為拉應(yīng)力;材料所處環(huán)境中存在特定的腐蝕介質(zhì)[7]。0Cr12Mn5Ni4Mo3Al材料對(duì)Cl-等腐蝕性元素較為敏感[8];螺母為圓柱薄壁零件,與螺栓裝配后,其圓周切向應(yīng)力為拉應(yīng)力[9];飛機(jī)服役環(huán)境為大氣環(huán)境和短時(shí)海洋大氣環(huán)境,隨著近年來(lái)工業(yè)化進(jìn)程的加快,大量工業(yè)廢氣排放到空氣中,Cl-普遍存在于大氣環(huán)境中[10],為螺母應(yīng)力腐蝕開裂提供了必要的腐蝕介質(zhì);法蘭面與螺母體呈直角,在服役過(guò)程中,遇到雨雪天氣等潮濕環(huán)境,此處容易積液。在干濕交替環(huán)境中,裂紋尖端內(nèi)部的Cl-會(huì)發(fā)生離子聚集和酸化,促進(jìn)裂紋尖端的陽(yáng)極溶解和陰極溶解產(chǎn)生氫脆效應(yīng),共同促進(jìn)裂紋的萌生及擴(kuò)展[11]。而SO2污染物生成的FeSO4,進(jìn)一步促進(jìn)了高強(qiáng)鋼的應(yīng)力腐蝕開裂[12]。該螺母表面處理方式為鈍化后涂MoS2,耐蝕性較差。

綜上,螺母在服役過(guò)程中,受到腐蝕性介質(zhì)和持續(xù)的周向拉應(yīng)力,產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕,裂紋在法蘭面處萌生,隨著服役時(shí)間的延長(zhǎng),沿軸向逐步擴(kuò)展,最后在安裝應(yīng)力作用下過(guò)載開裂,形成貫穿性裂紋。

3 結(jié)論及建議

(1) 螺母在服役過(guò)程中,受潮濕大氣環(huán)境和短時(shí)海洋大氣干濕交替作用,在法蘭面與螺母體交接處形成點(diǎn)狀腐蝕坑,在腐蝕坑內(nèi)部的尖端部位Cl-聚集酸化,產(chǎn)生陽(yáng)極溶解和氫脆效應(yīng),在周切向拉應(yīng)力作用下,產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋,裂紋沿螺母壁軸向擴(kuò)展,隨著服役時(shí)間延長(zhǎng),裂紋逐步擴(kuò)展,最后在安裝應(yīng)力下螺母過(guò)載開裂。

(2) 建議優(yōu)化螺母法蘭面設(shè)計(jì),增大過(guò)渡區(qū)圓角尺寸并適當(dāng)增加斜面過(guò)渡,減少或杜絕法蘭面積液情況。

(3) 建議在不改變安裝工藝的情況下,改善螺母表面涂覆工藝,增加螺母表面耐腐蝕能力。