ML25雙耳托板螺釘斷裂分析及工藝研究

孫君武，鄭高峰，殷銀銀，胡慶寬，孫曉軍，沈 鵬

（1.河南航天精工制造有限公司，河南省緊固連接技術重點實驗室，河南 信陽 464000；2.空軍裝備部駐鄭州地區軍事代表室，河南 鄭州 450000）

由ML25材料制造的雙耳托板螺釘與常規螺釘相比，頭形特殊，具有重量輕、體積小、裝配效率高等特點，同時具有很高的連接可靠性。產品裝配在飛機基體上采用的是鉚接方式，由于產品性能要求為抗拉強度和破壞拉力，但是，在安裝使用過程中可能會受到斜向應力的影響，這種情況下，對產品的性能要求會高于標準要求，頭桿結合部位受斜向應力時可能發生斷裂，其余產品從螺釘外表面無法識別，不能確定產品的安裝可靠性。因此，對于頭桿結合部位斷裂，加工過程無法進行識別，存在較大的質量風險。本文通過對ML25雙耳托板螺釘的安裝斷裂故障件進行裂紋斷口分析、金相組織檢測、維氏硬度試驗，并結合ML25雙耳托板螺釘的制造工藝流程，對斷裂的產生進行了細致的分析研究，找到了原因，并提出了有效的解決改進措施，進一步完善了制造工藝。

1 問題分析

1.1 斷口分析

選取故障件螺釘，斷裂實物圖如圖1所示，對斷口進行掃描電鏡分析。采用低倍放大鏡和高倍顯微鏡觀察斷口宏觀和微觀形貌，斷裂部位為螺釘頭下R根部，斷口粗糙，呈皿狀，斷口無氧化、腐蝕色彩，裂紋由邊緣向心部擴展。圖2顯示了斷裂件斷口微觀形貌，裂紋源位于螺釘外表面處，源區為準解理特征[1]，局部呈解理形貌；擴展區為準解理特征；瞬斷區邊緣存在少量韌窩。斷口基本上無宏觀塑性變形，呈脆性特征，這表明托板螺釘受到斜向拉力作用下，在受力一側R處受到橫向剪切力先產生斷裂。通過對斷裂螺釘斷口分析，斷口呈準解理形貌，僅在瞬斷區邊緣有少量的韌窩。

圖1 故障件螺釘斷裂實物圖

圖2 斷口微觀形貌

1.2 金相組織和硬度分析

將斷裂螺釘桿部及斷裂部位制樣進行金相檢測，組織為拉長的鐵素體和珠光體，與原材料組織保持一致。顯微組織正常，未在斷裂螺釘內部和變形區域內發現典型金相和組織缺陷。

托板內部流線連續，沿頭部輪廓流向，未見切斷痕跡。由于產品頭形特殊，托板厚度薄且截面積大，冷鐓成形時，頭部在軸向受到壓縮，冷拔時的晶粒在拉長的方向發生改變，隨著塑性變形量的增大，其晶粒沿變形方向逐漸伸長，變形程度越大，則伸長也越顯著；當變形量過大時，其組織呈纖維狀，流線密集，流線最大密集處形態如圖3所示，沿著纖維的方向，材料的抗拉強度及韌性高，而抗剪強度低。因此螺釘在受斜向應力時，可能沿纖維組織方向斷裂，圖示的流線最大密集處形態和斷裂螺釘斷口形貌一致。

圖3 流線最大密集處形態

由于纖維組織的影響，頭桿結合部位應力集中，使螺釘頭桿結合強度降低。纖維組織的出現，會引起螺釘變形區硬度的差異，進行維氏硬度檢測后，發現桿部為209HV，流線最大密集處為287HV，頭部上端面為243HV，這表明變形程度越大，硬度越高。

1.3 加工過程分析

為了查找在加工過程中引起斷裂產生的工序，對加工過程中各工序進行了驗證和分析。ML25雙耳托板螺釘的主要制造路線為：備料—冷鐓—去應力退火—機加工—磁粉探傷—表面處理。

材料購入后，按原材料標準要求對其機械性能、化學成分、尺寸、外觀等進行了入廠復驗，復驗結果符合原材料驗收標準中的“第4條尺寸、外形，第5.1條化學成分，第5.2條力學性能”等要求。其次，采用特殊手段對原材料進行檢測，未發現原材料內部有缺陷。采用多批次原材料進行加工，則部分螺釘在斜向應力作用下，頭桿結合部位依然會出現斷裂。

因此，可以斷定ML25雙耳托板螺釘頭桿結合部位的斷裂不是由原材料引起的，是在加工過程中產生的。產品的頭部是由冷鐓成形，托板頭部變形量大，形成纖維組織，頭桿結合部位應力集中，是產品受斜向應力產生斷裂的根本原因，此處不再贅述。冷鐓后去應力退火，退火溫度為350℃，由于溫度較低，處理后纖維組織依然存在。冷鐓桿部鐓制通桿，單邊機加工切削量超過1mm，頭桿結合部位流線切斷。流線的切斷，削弱了頭桿結合強度，可能形成結構薄弱處。因此，可以推斷斷裂是由托板冷鐓成形時引起的，安裝時受斜向應力發生斷裂。通過對原材料、冷鐓、去應力退火、機加工等工序的分析，可以推斷螺釘頭桿結合部位的斷裂由冷鐓托板形成的應力集中引起的。

2 方案分析及驗證

對故障件螺釘原材料進行分析，未發現原材料組織及成分有異常。此外，在斷口上未發現材質缺陷，故可以推斷螺釘斷裂與材料的冶金質量無直接關系。通過對加工過程各工序進行分析和驗證，可以推斷螺釘斷裂是由冷鐓工序引起的。

應力集中是在冷鐓成形時，變形量大引起的。產品性能等級要求為σb=590MPa～735MPa，結合產品性能，參考HB/Z136，可以對產品進行淬火回火處理。與斷裂件分析結果一致的數十批次產品進行淬火回火處理后，進行金相組織檢測和維氏硬度試驗，組織狀態均勻一致，托板靠近R處無流線密集，未見纖維組織，說明應力集中已經消除。桿部、流線最大密集處及頭部端面的維氏硬度分別為237HV、237HV及239HV，硬度均勻，受斜向應力作用下的破壞拉力符合相關技術條件要求。

驗證表明，冷鐓成形托板時，形成的應力集中是ML25雙耳托板螺釘受斜向應力發生斷裂的根本原因。

為提高螺釘的質量穩定性及使用可靠性，進一步優化產品加工流程，防止應力集中的形成，這就需要一種適宜大變形量加工的組織狀態，細化晶粒。因此，采取在產品預鐓后，即托板成形前進行高溫退火處理，來改善材料的組織和性能，均勻鋼的化學成分及組織，細化晶粒，消除內應力，提高塑性，便于冷變形加工。高溫退火后冷鐓頭部，避免了纖維組織，從根源上避免了應力集中的形成。

頭桿結合部位流線切斷，雖然削弱了頭桿結合強度，可能形成結構薄弱處，但并不是螺釘受斜向應力斷裂的原因。為更好的優化產品加工過程，冷鐓成形頭部采用接近產品頭部輪廓的成形形狀，減小頭部變形量，桿部采用強縮徑避免頭桿結合部位的切削加工，合理有效的進行加工，同時進一步的避免了應力密集的產生。

3 解決措施

通過對斷裂產生的原因分析可以推斷出：

改善托板成形前預鐓組織狀態和減小頭部變形量能夠解決螺釘的斷裂故障；桿部強縮成形，避免頭桿結合部位機加工可以進一步增加螺釘的結構強度。由于產品托板為橢圓形，因此冷鐓后的頭部結構可以調整為橢圓形，減小產品的頭部變形量。

因此，針對ML25雙耳托板螺釘在安裝過程中斷裂的故障，課題組采用桿部強縮徑確保頭桿結合部位流線連續，對冷鐓前的預鐓進行高溫退火改善其組織狀態的方案。

ML25材料進行高溫退火將原始拉長的鐵素體和珠光體轉變為等軸形態的均勻珠光體組織，達到材料塑性增加，利于托板大變形量的加工目的。托板成形后未發現應力集中，再進行淬火回火處理，產品高溫退火產生的珠光體及鐓壓產生的變形組織可以轉變為組織均勻的回火索氏體，最終實現材料強化，滿足產品性能。

通過對ML25雙耳托板螺釘工藝進行改進，改進后的工藝路線為：備料—預鐓—高溫退火—終鐓—淬火回火—滲透探傷—表面處理。采用改進后的工藝路線加工ML25雙耳托板螺釘，螺釘的頭桿結合部位斷裂得到了排除。最終性能檢測結果也表明：工藝改進后ML25雙耳托板螺釘的金相組織、性能均滿足相關標準及使用要求。

4 結論

（1）通過對螺釘斷裂件進行斷口分析、組織檢測，以及加工中原材料組織、頭部變形量進行分析和驗證，發現雙耳托板螺釘在冷鐓工序中由于頭部變形量大形成的應力集中，低溫退火無法消除，是安裝過程中受斜向應力發生斷裂的根本原因。

（2）解決ML25雙耳托板螺釘應力集中的措施是對螺釘預鐓坯料進行高溫退火處理，改善組織狀態，細化晶粒，得到適宜大變形量加工的組織。

（3）通過對ML25雙耳托板螺釘工藝進行研究和優化，在頭部預鐓后增加高溫退火工序，頭部成形后增加淬火回火工序，ML25雙耳托板螺釘應力集中得到了有效的排除，同時滿足產品相關技術條件及安裝使用要求。