自鎖螺母斷裂分析

黃 超，錢 征，歐陽康

（國營蕪湖機械廠，安徽 蕪湖241000）

自鎖螺母斷裂分析

黃 超，錢 征，歐陽康

（國營蕪湖機械廠，安徽 蕪湖241000）

針對某型機發生的材料為30CrMnSiA的自鎖螺母斷裂情況，為了解失效過程，找出失效原因，采用外觀觀察、體式檢查、斷口微觀觀察、能譜分析、金相組織分析、硬度檢測的方法，分析自鎖螺母斷裂的原因。結果表明：自鎖螺母為應力腐蝕斷裂，其滿足應力腐蝕各項要素的存在條件；鍍鋅鈍化層較差的耐蝕性會降低自鎖螺母的耐應力腐蝕能力；由于材料的耐蝕性與組織以及表面狀態有關，建議嚴格控制該自鎖螺母的制造過程中的熱處理工序及表面處理工序。

自鎖螺母；30CrMnSiA；應力腐蝕；鍍鋅鈍化

0 引言

自鎖螺母是高抗振、防松的緊固零件，原理是利用非圓形收口在螺母擰緊后，收口脹開，產生有效力矩，起到放松作用，從而大量地應用在飛機的結構件當中[1-2]。30CrMnSiA作為航空系統應用最為廣泛的合金結構鋼，大都集中于材料相關性能的研究[3-4]，對其制件失效的研究卻較少[5]，尤其是作為自鎖螺母失效的案例未見于相關報道中。

某型機在結構修理過程中，發現一件自鎖螺母發生開裂，該自鎖螺母技術要求為σb=（900～1 080）MPa，表面處理方式為鍍鋅鈍化，規格為HB 8235-MJ8×1.本文通過對30CrMnSiA自鎖螺母裂紋的外觀觀察、體式檢查、斷口微觀觀察、能譜分析、金相組織分析、硬度檢測，確定了該自鎖螺母的斷裂原因，并給出相關預防改進措施。

1 試驗過程與結果

1.1 外觀觀察

由圖1可見該自鎖螺母裂紋則沿軸向貫穿，且裂紋處均沿徑向內外貫穿。同時表面鍍鋅鈍化層的彩虹色已不可見，自鎖螺母外表面為黑色+灰白色。

圖1 自鎖螺母外觀

1.2 體式檢查

自鎖螺母采用線切割的方式將裂紋打開，采用體式顯微鏡對斷口及螺母內表面進行觀察。由圖2可見斷口上部分區域覆蓋有一層黑色物質，其余區域為紅褐色的腐蝕產物的顏色特征。觀察螺紋部分可見螺紋底部呈黑色，而螺紋端面則為鍍鋅鈍化的彩虹色表面。

圖2 自鎖螺母斷口體視觀察

1.3 微觀觀察

斷口經超聲波丙酮清洗后，放入掃描電子顯微鏡中觀察，斷口發現有泥紋狀的腐蝕產物覆蓋，見圖3（a）.斷口部分區域放大后可見腐蝕產物脫落后露出的沿晶形貌，見圖 3（b）.

圖3 斷口微觀形貌

1.4 能譜分析

對自鎖螺母的斷口進行了能譜分析，結果如表1所示。兩件自鎖螺母的斷口均存在腐蝕性元素S和Cl，且自鎖螺母在斷口處還存在外界進入的雜質元素物質。

表1 斷口能譜分析結果

1.5 金相組織觀察

用線切割加工將自鎖螺母斷口切開，經鑲嵌、磨制、拋光后采用4%硝酸酒精進行腐蝕，并在金相顯微鏡下對該自鎖螺母斷口的截面金相進行觀察。如圖4所示，自鎖螺母內表面白亮處為表面脫碳層，并一直延伸至斷面，但斷面未發現明顯脫碳現象，心部組織為回火索氏體。

圖4 自鎖螺母截面金相

用線切割加工將自鎖螺母沿軸向切開，經鑲嵌、磨制、拋光后采用4%硝酸酒精進行腐蝕，并在金相顯微鏡下對該自鎖螺母軸向金相進行觀察。觀察發現螺母外表面鍍鋅層多處存在點蝕坑，見圖5（a）.螺紋底部鍍鋅層靠外側部分存在黑色的點線狀形貌，見圖5（b）.

圖5 自鎖螺母軸向金相

1.6 硬度檢測

對截面金相試樣進行維氏硬度試驗，試驗結果見表2.可見自鎖螺母的心部硬度均高于斷口旁硬度，并且心部換算后的強度值均超出技術要求σb=900～1 080 MPa的規定。

表2 硬度檢測結果

2 分析與討論

斷口上發現的S、Cl元素說明了工作環境存在腐蝕性介質，結合宏觀觀察的斷口紅褐色腐蝕顏色以及微觀觀察到的沿晶斷裂形貌，可以判斷該自鎖螺母為應力腐蝕斷裂。

外觀觀察兩件自鎖螺母均未發現明顯的表面損傷痕跡，但外側黑色+灰色表面說明表面鍍鋅鈍化層已被破壞，表面鋅層已經被氧化[6]。體式觀察中同樣難以在螺紋底部觀察到鍍鋅鈍化表面，反而發現該處存在黑色物質，并且結合軸向金相觀察發現的鍍層的點蝕坑與螺紋根部腐蝕后鍍層外側變黑，可以看出該自鎖螺母的鍍鋅鈍化層的耐蝕性較弱[7]。自鎖螺母在安裝后，螺母沿周向有靜拉應力，為應力腐蝕開裂提供了應力條件[8]。心部強度超出技術要求說明該自鎖螺母的熱處理過程存在一定問題，影響了最終的材料力學性能，力學性能不在技術要求內也可能對材料的耐應力腐蝕產生不利影響。

3 結論與建議

（1）自鎖螺母為應力腐蝕斷裂，其滿足應力腐蝕各項要素的存在條件。

（2）鍍鋅鈍化層的點蝕坑與螺紋根部腐蝕后鍍層外側變黑，可以判斷出鍍鋅鈍化層的耐蝕性較弱，降低了自鎖螺母的耐應力腐蝕能力。

（3）由于材料的耐蝕性與組織以及表面狀態有關，建議嚴格控制該自鎖螺母的制造過程中的熱處理工序及表面處理工序。

[1]凡進軍.某航空發動機自鎖螺母加工的探討[J].科技展望，2016（30）：60.

[2]趙愛國，王慶如.鈦合金自鎖螺母裂紋故障分析[J].失效分析與預防，2006，1（3）：42-45.

[3]楊棟杰.30CrMnSi連續冷卻轉變曲線的測定[J].機械工程師，2016（11）：127-128.

[4]張 帥，張 宏，石 巖，等.30CrMnSi鋼T型接頭激光焊接工藝研究[J].熱加工工藝，2013，42（7）：200-203.

[5]杜昊龍，賀曉軍.某導彈30CrMnSi殼體TIG焊縫微裂紋分析[J].航空制造技術，2012（13）：111-118.

[6]涂建國，胡海麗，周素珍，等.鍍鋅鋼板開裂失效分析[J].熱處理技術與裝備，2014，35（4）：47-49.

[7]張 紅，杜翠薇，齊慧濱，等.不同氧含量環境中汽車用熱鍍鋅板泥漿附著的腐蝕行為[J].中國有色金屬學報，2009，19（3）：576-582.

[8]劉德林，陶春虎，關文秀.1Cr17Ni2不銹鋼鎖緊螺母失效分析[J].測控技術，2013（32）：373-377.

Crack Analysis of Self-locking Nut

HUANG Chao，QIAN Zheng，OU Yang-kang
（WuHu State-owned Factory of Machining，Wuhu Anhui 241000，China）

Self-locking nut of certain aircraft had broken.Material of this self-locking nut is 30CrMnSiA.In order to understand the failure process，find out the cause of failure，it was taken appearance observation，stereomicroscope inspection，analysis of energy spectrum，analysis of metallographic structure，hardness detection to analyze breakage reason of self-locking nut.The results show that the breakage reason of self-locking nut is stress corrosion which satisfied the existence conditions of the stress corrosion elements.Coating of galvanization passivation had worse stain resistance，it can debase resistance of stress corrosion of self-locking nut.As the corrosion resistance of the material is related with the microstructure and the surface state.It was suggested that heat treatment and coating should control strictly in the process of manufacture of self-locking nut.

self-locking nut；30CrMnSiA；stress corrosion;galvanization passivation

TG172.3

A

1672-545X（2017）10-0187-03

2017-07-21

黃 超（1988-），男，安徽銅陵人，碩士研究生，工程師，主要研究方向：金屬材料材料失效分析。