螺母表面裂紋失效分析

王 珊，歐陽康

（國營蕪湖機械廠，安徽 蕪湖241007）

0 引言

螺栓等緊固件廣泛應用于航空、航天等領域，緊固件的失效往往會導致十分嚴重的后果[1]。不銹鋼緊固件具有許多優點，但在實際生產應用過程中仍會出現失效等情況[2]。某飛機在維修檢查過程中發現多個不銹鋼螺母存在裂紋。該類螺母為收緊螺母，主要用于接頭，包括兩通接頭、三通接頭的連接及緊固。該類螺母的材料牌號為1Cr11Ni2W2MoV，表面處理狀態為化學鈍化，工作環境為油液環境，-55℃～70℃。本文針對兩個失效的螺母進行分析，分別編號為1#及2#，如圖1所示。通過對螺母周向裂紋進行了宏觀觀察、斷口宏微觀分析、能譜分析、金相觀察、硬度分析，確定了螺母的斷裂原因及給出了改進措施。

圖1 螺母形貌

1 試驗過程與結果

1.1 宏觀觀察

對1#、2#螺母進行宏觀觀察，可以看到1#螺母有兩條裂紋，2#螺母有一條裂紋，見圖2、圖3。其中1#螺母裂紋分別在螺紋位置沿縱向擴展及R角位置沿軸向開裂；2#螺母裂紋位于R角位置，裂紋均可觀察到分叉。同時，在R角裂紋附近，可見多處腐蝕坑，表面狀態較差。

圖21 #螺母形貌

圖32 #螺母形貌

將裂紋打開，觀察裂紋內部形貌，可見1#螺母的軸向斷面平整，可見明顯的分界，斷口位置可見紅褐色銹蝕且銹蝕嚴重，銹蝕區域穿透整個斷面，打斷區域呈金屬光澤，側面可見二次裂紋。縱向裂紋打開后可見斷面平整，銹蝕痕跡，見圖4。2#螺母斷口平整，可見紅褐色銹蝕痕跡，分界面明顯，側面可見二次裂紋，見圖5。

圖41 #螺母斷面形貌

圖52 #螺母斷面形貌

1.2 斷口微觀及能譜分析

為進一步觀察斷口形貌，采用微觀方式進行形貌觀察。將斷口用丙酮溶液清洗后，置于掃描電子顯微鏡對斷面進行分析。可見1#螺母周向斷面呈沿晶形貌[3]，表面可見腐蝕產物，在斷面及打斷區位置可見明顯分界[4]，打斷位置呈韌窩形貌，見圖6。沿晶區域能譜可見Cl等腐蝕元素，韌窩區域未見腐蝕元素，見圖7。

圖71 #斷口能譜分析（周向）

縱向斷面可見典型沿晶特征，表面附著腐蝕產物見圖8。沿晶區域能譜可見Cl等腐蝕元素，見圖9。

圖81 #螺母微觀形貌（軸向）

圖9 斷口能譜分析（縱向）

根據宏觀斷口情況及微觀形貌，可知到2#螺母斷面從外側起源，斷面位置可見沿晶特征，沿晶面可見腐蝕產物，在斷面及打斷區位置可見明顯分界，打斷位置呈韌窩形貌，見圖10。沿晶區域可見Cl等腐蝕元素，韌窩位置未見腐蝕元素，見圖11。

圖102 #螺母微觀形貌

圖112 #斷口能譜分析

1.3 金相分析

對螺母的金相組織進行分析，以確定是否存在金相缺陷。選取2#螺母沿軸向切取試樣制取金相樣品，打磨、拋光腐蝕后進行觀察，可見基體為馬氏體組織[5]，晶界清晰，可見均勻分布的板條狀馬氏體組織，見圖12。

圖12 金相組織

1.4 硬度分析

使用洛氏硬度計對螺母進行硬度試驗，結果見表1。通過表1可以看出，螺母的洛氏硬度值在標準值區間內，相對偏高。

表1 洛氏硬度測試結果

1.5 殘余應力測試分析

使用加拿大PROTO公司的iXRD 300W X射線應力測定儀對螺母R角位置垂直于裂紋方向進行殘余應力測試，測試結果分別為+100 MPa、+124 MPa及+203 MPa，表面為殘余拉應力狀態。

2 分析與討論

通過宏微觀觀察可知，1#、2#螺母裂紋處均可看到裂紋分叉及腐蝕產物。斷口打開后觀察到斷面平整，有明顯銹蝕痕跡，未見異常損傷。微觀觀察斷面呈沿晶脆斷特征，人工打斷區域為韌窩特征，能譜分析斷面有S、Cl等元素，由此判斷，1#及2#螺母斷裂性質均為應力腐蝕。

應力腐蝕的形成條件包括：持續拉應力、腐蝕介質以及應力腐蝕敏感性[6]。1）R角位置為殘余應力聚集區域，且通過殘余應力測試可知螺母位置存在表面殘余拉應力；2）螺母工作環境為油液，油液中存在腐蝕元素，同時打開斷面后也可檢測到S、Cl等元素，說明在環境中存在腐蝕元素；3）1Cr11Ni2W2MoV材料本身應力腐蝕敏感性較高[7]，硬度值在標準范圍內但偏高，這樣應力腐蝕敏感性更高，更易造成應力腐蝕。

綜上，兩個螺母的斷裂性質均為應力腐蝕。當多個螺母頻繁出現應力腐蝕，根據應力腐蝕形成條件，可通過更換材料避免應力腐蝕敏感性、消除表面殘余拉應力以及增加表面防護手段等方式進行預防。但是，考慮到工廠該類螺母的使用量較大，更換材料影響較廣，不建議更換材料。因此，通過降低材料表面硬度來減小應力腐蝕敏感性，同時，對入廠螺母表面的殘余應力情況進行抽檢，并關注該類螺栓等緊固件的表面狀態，及時通過腐蝕點的出現來判斷是否出現應力腐蝕裂紋。

工廠通過將螺母表面殘余應力改性為殘余壓應力，降低材料硬度至25～30區域內的方式，同時在驗收關卡增加對螺母表面腐蝕特性的觀察，有效避免了螺母應力腐蝕的發生。

3 結束語

螺母等緊固件在使用過程中出現應力腐蝕的失效模式較為常見，針對該類故障表現的特性，主要通過調整材料硬度、表面殘余應力特性等方式進行材料改進；同時通過螺母的抽檢等方式，關注其表面狀態，通過腐蝕點的出現來判斷是否出現應力腐蝕裂紋等情況。