某型裝備電機螺釘斷裂失效分析

索鴻飛 唐詩詠 楊國斌

摘要：針對某型裝備電機螺釘斷裂情況，從宏觀和微觀形貌角度進行失效分析。結果表明，斷裂螺釘的成分及機械性能符合標準，金相組織正常，斷裂的可能原因是潮濕氨引起的應力腐蝕斷裂。

關鍵詞：裝備；螺釘；斷裂；失效分析

Keywords：equipment；screw；fracture；failure analysis

1 概述

電機是某型裝備舵系統的重要組成部分，用于為舵面轉動提供動力。電機電樞外圓與定子上磁鋼內表面之間的間隙為0.8mm，平墊的厚度為0.025～0.35mm，彈墊的厚度為0.5～1mm；彈墊為不銹鋼材料，帶有磁性，掉落在電機內部將吸附在磁鋼表面，電機通電工作的情況下可能造成電樞與定子發生掃膛，電機工作轉速降低，工作電流增大，電樞繞組溫度升高，嚴重時甚至會導致電樞燒毀，電機停轉，從而使得舵機無法做出正確的姿態調控，導致裝備異常墜毀。為了摸清螺釘斷裂機理，避免舵系統故障帶來的質量安全隱患，有必要對螺釘斷裂原因進行失效分析。

2 故障分析

2.1 宏觀分析

電機螺釘斷裂如圖1所示，螺釘牌號規格為GB/T 67-2000 M2×4（H62），與彈簧墊圈、普通墊圈配合使用，固定電刷組件焊片與引出線焊片。斷裂發生在螺釘頭和螺桿過渡位置根部。宏觀形貌分析表明，墊片一面可見一圈接觸痕跡和輕微塑性變形，如圖2所示；螺釘斷裂發生在頭部與桿部轉接部位，斷口呈黃銅色，無明顯的塑性變形和剪切唇特征，斷口邊緣存在大量黑色附著物；使用無水乙醇結合超聲波清洗后附著物基本消失，清洗后斷口呈黃銅色，無明顯的顏色差異。

2.2 微觀分析

通過電鏡觀察發現，螺釘斷口清洗前均可見大量附著物，附著物在二次電子圖像中具有荷電效應（呈白亮色），在背散射電子圖像中呈黑色，放大后附著物呈泥狀，如圖3a）所示；螺釘斷口清洗后附著物基本消失，斷口背散射電子圖像顏色均勻，未出現缺陷現象，如圖4a）所示，各區域均未見明顯的腐蝕產物，如圖4所示；斷口微觀形貌：結晶狀斷口區均為沿晶加解理形貌，纖維狀斷口區均以解理為主，斷口未見疲勞特征，如圖3b）、圖3c）和圖4b）、圖4c）所示。

2.3 能譜分析

經能譜分析，螺釘斷口上的附著物主要含C、O元素和少量N、S、Cl腐蝕性元素；清洗前后的斷口的結晶狀區、纖維狀區、表面的能譜成分較接近，主要含Cu、Zn、O元素，合金元素含量與H62材料接近。

2.4 金相組織分析

磨制螺釘頭部斷口位置的縱向金相試樣，在斷面位置附近可見少量沿晶和穿晶裂紋，裂紋存在分叉現象，如圖5a所示。開槽位置可見大量流變線，說明螺釘經過沖壓或者擠壓加工，導致α相產生較大形變，晶粒變小、拉長，且β相也沿加工方向分布，如圖5b）所示，因此螺釘頭部與螺桿的過渡位置成為螺釘的薄弱點。

2.5 硬度測試

對刻蝕前的斷裂螺釘金相試樣進行維氏硬度測試，平均硬度為221HV（見表1），根據GB/T 9098.10-1993《緊固件機械性能 有色金屬制造的螺栓、螺釘、螺柱和螺母》，該螺釘的性能等級為CU2，最小抗拉強度為440MPa。通過GB 3771-1983《銅合金硬度與強度換算值》進行換算可得，黃銅棒材206HV對應抗拉強度為706MPa，證明該螺釘的性能等級符合標準要求。

2.6 綜合分析

螺釘頭斷口呈黃銅色，無明顯的塑性變形和剪切唇特征，清洗后斷口呈黃銅色，無明顯的顏色差異。螺釘配套的墊片發現接觸痕跡和輕微塑性變形，說明螺釘安裝后存在一定的緊固力。螺釘斷裂發生在頭部與桿部轉接部位，該位置存在應力集中。微觀形貌表明，結晶狀斷口區為沿晶加解理形貌，纖維狀斷口區以解理為主，斷口未見疲勞特征；斷口清洗后，各區域均未見明顯的腐蝕產物。金相組織分析表明，在斷面位置附近可見少量沿晶和穿晶裂紋，裂紋存在分叉現象。因此，螺釘斷裂的性質為應力腐蝕斷裂。

能譜分析表明，螺釘斷口主要含Cu、Zn、O元素，合金元素含量與H62材料接近，螺釘能譜成分與規定相符。螺釘基體組織為α+β相，金相組織未見異常。螺釘頭斷口邊緣存在大量黑色附著物，附著物使用無水酒精加超聲波清洗后基本消失；附著物在二次電子圖像中具有荷電效應（呈白亮色）、在背散射電子圖像中呈黑色，放大后附著物呈泥狀；兩個斷口上的附著物均主要含C、O元素和少量N、S、Cl腐蝕性元素，附著物為外來物而非腐蝕產物。斷口清洗后背散射電子圖像顏色均勻，未見缺陷顯示，螺釘斷裂與缺陷無關。螺釘平均硬度為221HV，對應抗拉強度為706MPa，符合標準要求。

此外，黃銅存在季裂現象，原因是潮濕大氣中所含的微量氨在黃銅表面冷凝成氨水溶液層，黃銅受到氨水溶液的腐蝕和自身內部存在的殘余應力的共同作用。黃銅在潮濕氨環境中的腐蝕產物為基體的氧化物，檢測不到腐蝕性元素，與故障現象較相似。

3 結論

綜上分析，得出以下結論：

1）斷裂的螺釘能譜成分與標準規定相符，金相組織未見異常；

2）斷裂的螺釘試樣平均硬度為221HV，其性能等級符合標準要求；

3）螺釘斷裂的性質為應力腐蝕斷裂；

4）螺釘應力腐蝕產生的原因可能主要與潮濕氨環境有關。

作者簡介

索鴻飛，助理工程師，主要從事裝備總體修理技術研究工作。