某型航空鈕子開關(guān)鉚釘斷裂失效分析 及環(huán)境適應(yīng)性提升

高晶晶，陸楠，夏小春，劉克剛，梅宇飛， 張新健，張艷，杜翠玲

（1.上海航空電器有限公司，上海 201101；2.空裝駐上海地區(qū)第三軍事代表室，上海 201101）

隨著武器裝備電子產(chǎn)品的系統(tǒng)化、集成化程度越來越高，產(chǎn)品系統(tǒng)所用的材料及零部件越來越多。只要其中一個(gè)零部件失效就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)產(chǎn)品系統(tǒng)發(fā)生故障，給國家財(cái)產(chǎn)和裝備人員的生命安全帶來巨大威脅。研究表明[1-2]，造成產(chǎn)品失效或故障的環(huán)境因素主要有濕度、溫度、局部腐蝕性氣體及沖擊、振動(dòng)等。產(chǎn)品壽命期內(nèi)，由溫度引起的故障占總故障的20%，由濕度及局部腐蝕性氣體等大氣環(huán)境因素引起的占15%。因此，為了確保武器裝備在壽命期內(nèi)不發(fā)生失效或故障，GJB 8892.14—2017《武器裝備論證通用要求 第14部分：環(huán)境適應(yīng)性》明確要求武器裝備在研制立項(xiàng)綜合階段即需進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)性論證，可見武器裝備的環(huán)境適應(yīng)性與其功能性和可靠性一樣，都是保障質(zhì)量的必備要求。

鉚釘作為一種制造工藝過程簡單、價(jià)格低廉并且連接強(qiáng)度穩(wěn)定可靠的緊固件，在武器裝備產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的連接中應(yīng)用廣泛。其中，航空武器裝備領(lǐng)域使用的金屬鉚釘材質(zhì)種類繁多，包括鋁及鋁合金、碳鋼及合金鋼、銅及銅合金、鈦及鈦合金等[3]。其中，銅及銅合金材質(zhì)具有較強(qiáng)的抗大氣腐蝕能力，廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[4-5]。

某型航空鈕子開關(guān)在進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)——濕熱試驗(yàn)中，按照GJB 150.9A—2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法第9部分：濕熱試驗(yàn)》的要求試驗(yàn)10個(gè)周期后，開關(guān)中的H62黃銅鉚釘發(fā)生了斷裂。為了保證鈕子開關(guān)在后續(xù)生產(chǎn)、交付各階段的可靠性及適應(yīng)自然和誘導(dǎo)環(huán)境的能力，對(duì)斷裂鉚釘及其所在的鈕子開關(guān)進(jìn)行了宏觀、微觀形貌及結(jié)構(gòu)表征，全面、系統(tǒng)地分析了其斷裂失效的原因，并對(duì)航空領(lǐng)域在科研試制和選用鉚釘及其他武器裝備緊固件時(shí)提出了建議和改進(jìn)措施。

1 斷裂鉚釘及其所在鈕子開關(guān)的理化測(cè)試

根據(jù)GJB 150.9A—2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法第9部分：濕熱試驗(yàn)》要求試驗(yàn)，得到斷裂失效鉚釘及其所在鈕子開關(guān)進(jìn)行濕熱試驗(yàn)的濕熱循環(huán)控制圖（見圖1）。試驗(yàn)以24 h為1個(gè)循環(huán)周期，進(jìn)行15個(gè)周期，其中每5個(gè)循環(huán)周期進(jìn)行1次性能檢測(cè)，檢測(cè)在圖1所示的低溫30 ℃的時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行。其中，溫度下降期間相對(duì)濕度可降至85%，其他時(shí)間內(nèi)相對(duì)濕度應(yīng)保持為（95±5）%。

圖1 濕熱循環(huán)控制 Fig.1 Humidity and heat cycle control diagram

1.1 宏觀形貌分析

斷裂鉚釘?shù)拟o子開關(guān)如圖2所示。可以看到，鉚釘安裝在開關(guān)殼體中，處于受拉狀態(tài)，鉚釘從殼體中彈起。卸下鉚釘后發(fā)現(xiàn)鉚釘根部斷裂，并且靠近根部區(qū)域發(fā)黑，如圖3所示。采用工業(yè)CT（YXLON, Y. Cougar）對(duì)其進(jìn)行X射線透視成像，可以看到鉚釘?shù)臄嗔盐恢梦挥陂_關(guān)底部，如圖4中虛線框所示。

圖2 某型航空鈕子開關(guān)濕熱試驗(yàn)后宏觀照片 Fig.2 Appearance of the toggle switch after humidity-heat test

圖3 斷裂鉚釘及其所在鈕子開關(guān)宏觀照片 Fig.3 appearance of the fractured rivet and the toggle switch

圖4 斷裂鉚釘及其所在鈕子開關(guān)X射線透視圖 Fig.4 X-ray perspective view of the fractured rivet and the toggle switch

1.2 化學(xué)成分分析

采用電感耦合等離子原子發(fā)射光譜儀（ICP-OES, Agilent 5100）對(duì)失效鉚釘?shù)幕倪M(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)，結(jié)果見表1。可以看到，鉚釘?shù)某煞址螱B/T 5231—2012《加工銅及銅合金牌號(hào)和化學(xué)成分》中黃銅牌號(hào)H62的成分要求，雜質(zhì)含量均比較低。因此可以排除由化學(xué)成分不合格引起鉚釘斷裂失效的可能。

表1 斷裂鉚釘化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果 Tab.1 Chemical composition of the fractured rivet

1.3 鉚釘斷口宏觀分析

鉚釘斷裂處橫向形貌和斷口宏觀形貌如圖5所示。從圖4可以看到，鉚釘斷裂位置為墩頭根部，斷口附近存在較多裂紋。從圖5b可以進(jìn)一步觀察到，失效鉚釘斷口齊平，未見塑性變形痕跡，斷口基本被藍(lán)色腐蝕產(chǎn)物覆蓋，斷口部分區(qū)域有泛光的液態(tài)物質(zhì)存在。結(jié)合鉚釘?shù)氖褂霉r可知，鉚釘?shù)臄嗔褳榇嘈詳嗔裑6]。

圖5 斷裂鉚釘宏觀形貌 Fig.5 Macro morphology of the fractured rivet: a) transverse morphology of the fracture; b) macro morphology of the fracture

1.4 鉚釘斷口顯微分析

鉚釘斷口微觀形貌如圖6所示。從圖6a可以看到，裂紋從鉚釘外表面萌生，向鉚釘內(nèi)部擴(kuò)展，斷口呈解理斷裂的典型扇形花樣（如圖6b所示）。局部放大后可以看到斷口微區(qū)具有明顯的解理臺(tái)階，臺(tái)階周圍分布著大量的顆粒狀腐蝕產(chǎn)物（如圖6b所示），說明鉚釘在腐蝕介質(zhì)的作用下產(chǎn)生了解理斷裂[7]。

1.5 鉚釘斷口成分分析

采用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡能譜儀（SEM&EDS SUPRA 55VP&APOLLO X）對(duì)鉚釘斷口（如圖6b所示）進(jìn)行成分分析，如圖7所示。可以看到，斷口主要由C、O、Cu、Zn 4種元素組成，而正常的H62黃銅為銅鋅合金，其元素組成見表1，經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)斷口表面碳、氧元素含量明顯升高，銅、鋅元素含量明顯降低，說明鉚釘在斷裂前發(fā)生了腐蝕氧化，這也進(jìn)一步印證了上述中鉚釘是在腐蝕介質(zhì)的作用下產(chǎn)生斷裂。

圖6 鉚釘斷口顯微形貌 Fig.6 Micro morphology of the fracture

圖7 斷裂鉚釘斷口能譜分析 Fig.7 EDS analysis of fracture area of the rivet

1.6 斷裂鉚釘?shù)慕鹣喾治?/h3>

采用金相顯微鏡（LV150）對(duì)斷口組織進(jìn)行分析，如圖8所示。可以看到，鉚釘斷口組織由α+β相組成，其中淺色基體相為α相，分散在其中的深色相為β相。同時(shí)，α相內(nèi)存在退火孿晶，晶粒較大，而β相則沿軸向分布在α相晶界處。根據(jù)JB/T 5108—91《鑄造黃銅金相》標(biāo)準(zhǔn)，該金相符合要求，因此可以排除由金相不合格引起鉚釘斷裂的可能。進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，斷口附近還存在明顯的二次穿晶裂紋，這是應(yīng)力腐蝕斷口的典型顯微形貌特征之一。

圖8 斷裂鉚釘斷口處金相組織 Fig.8 Metallographic structure of fracture area of the rivet

1.7 殼體成分分析

1.7.1 紅外光譜分析

由上文分析可排除由鉚釘材質(zhì)和金相組織不合格引起的鉚釘斷裂失效，因此需要進(jìn)一步對(duì)鉚釘所在殼體進(jìn)行排查。采用紅外顯微光譜分析儀（Tesor27& HYPERIONTM2000）對(duì)與鉚釘斷裂位置相接觸的鈕子開關(guān)下殼體進(jìn)行紅外光譜分析，如圖9所示。可以看到，下殼體的主要成分為酚醛樹脂，酚醛樹脂在特定的條件下會(huì)釋放氨。

圖9 鈕子開關(guān)下殼體紅外光譜 Fig.9 Infrared spectral analysis of the lower housing of the toggle switch

1.7.2 殼體離子色譜分析

采用離子色譜儀（ICS1600）進(jìn)一步檢測(cè)下殼體在濕熱試驗(yàn)中產(chǎn)生的陽離子種類及濃度，結(jié)果見表2。為了對(duì)比，將殼體在常規(guī)儲(chǔ)存狀態(tài)（25 ℃，相對(duì)濕度65%）下產(chǎn)生的陽離子種類及濃度列于表中。可以看到，殼體在濕熱試驗(yàn)前后均會(huì)產(chǎn)生NH4+、Na+、K+、Mg2+及Ca2+五種陽離子。陽離子主要來源于殼體中酚醛樹脂的改性劑和填料。殼體經(jīng)濕熱試驗(yàn)后，NH4+濃度為529.41 mol/L，約為常溫狀態(tài)下（5.42 mol/L）的100倍，說明在濕熱試驗(yàn)時(shí)，殼體會(huì)產(chǎn)生大量的NH4+。大量研究表明[8-12]，氨水溶液會(huì)使黃銅產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂（SCC）。因此，此處殼體中析出的NH4+可能是使黃銅鉚釘斷裂失效的原因之一。

表2 殼體中析出陽離子檢測(cè)結(jié)果 Tab.2 Precipitated cationic detection results of the housing mol/L

1.7.3 鉚釘靜平衡狀態(tài)應(yīng)力分析

采用ANSYS有限元仿真分析，分析鉚釘在該型鈕子開關(guān)中靜平衡狀態(tài)時(shí)所受應(yīng)力情況，如圖10所示。可以看到，當(dāng)鈕子開關(guān)系統(tǒng)處于靜平衡狀態(tài)時(shí)，鉚釘應(yīng)力最大位置在墩頭部位，為132.79 N，這與實(shí)際斷裂位置一致（圖10中所示）。

圖10 鉚釘靜平衡狀態(tài)有限元仿真應(yīng)力分析 Fig.10 Finite element stress analysis of the rivet in static equilibrium

2 討論與分析

黃銅鉚釘材質(zhì)化學(xué)成分合格，金相組織正常，是符合GB/T 5231要求的H62黃銅。斷口分析結(jié)果顯示斷口表面覆蓋大量腐蝕產(chǎn)物，斷口平整，具有明顯扇形花樣和解理臺(tái)階，為脆性解理斷裂。以上特征均符合應(yīng)力腐蝕開裂的顯微形貌特征[13]。

SCC產(chǎn)生的3個(gè)必要條件為：拉應(yīng)力、金屬的敏感性和特定的腐蝕環(huán)境[14]。鉚釘裝配到開關(guān)后處于拉應(yīng)力狀態(tài)，具備應(yīng)力腐蝕的第一個(gè)條件。

黃銅在大氣中具有良好的耐蝕性[13]，但同時(shí)具有較強(qiáng)的應(yīng)力腐蝕敏感性，并且黃銅的含Zn量越高，SCC性越高，尤其是H70、H68、H62、H59這些Zn含量高的黃銅更容易引起SCC。此時(shí)，黃銅鉚釘原材料具備發(fā)生應(yīng)力腐蝕的第二個(gè)條件。

研究表明，使黃銅產(chǎn)生SCC最嚴(yán)重的腐蝕介質(zhì)是NH3[6]。當(dāng)黃銅置于潮濕的NH3環(huán)境中，黃銅表面會(huì)首先生成晦暗膜（tarnish，Cu2O為主的黑色氧化膜[12]），然后，Cu2O會(huì)進(jìn)一步與空氣中的氧氣和介質(zhì)中的NH4+發(fā)生反應(yīng)[9-12]：

式（1）中形成的遇到空氣會(huì)立即氧化成藍(lán)色的，見式（2）：

同時(shí)，黃銅在氨水溶液中，還會(huì)發(fā)生陽極溶解反應(yīng)（即黃銅脫鋅反應(yīng)）[15]，如式（3）—（4）：

式（1）—（4）中，氧化膜Cu2O和 Cu(NH3)+2、Zn(NH3)24+質(zhì)脆，會(huì)在黃銅表面形成疏松膜層。當(dāng)黃銅持續(xù)受拉應(yīng)力時(shí)，膜層不斷破裂和脫落（即黃銅脫鋅），最終導(dǎo)致黃銅制件應(yīng)力腐蝕開裂[16]甚至失效。

黃銅鉚釘材質(zhì)H62含有35%左右的鋅。黃銅鉚釘處于含有氨氣氛圍的潮濕環(huán)境中時(shí)就具備了發(fā)生應(yīng)力腐蝕的第三個(gè)條件，發(fā)生公式（1）—（4）的化學(xué)反應(yīng)，最終導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕。

表2離子色譜陽離子檢測(cè)結(jié)果顯示，殼體在濕熱試驗(yàn)時(shí)NH4+濃度達(dá)529.41 mol/L。進(jìn)一步排查開關(guān)殼體生產(chǎn)的各環(huán)節(jié)，發(fā)現(xiàn)在酚醛樹脂原料中含有六次甲基四胺，六次甲基四胺是絕大多數(shù)酚醛樹脂原料中不可缺少的添加物，其作用是提升固化速率。六次甲基四胺在殼體成型過程中，不僅會(huì)分解出氨氣，而且還會(huì)產(chǎn)生游離氨殘存于殼體中。因此在濕熱環(huán)境下，黃銅鉚釘具備了發(fā)生應(yīng)力腐蝕的第三個(gè)條件。

綜上分析，黃銅鉚釘斷裂失效的原因如下：黃銅鉚釘處于95%的濕度和30～60 ℃的熱交變循環(huán)濕熱試驗(yàn)中，酚醛殼體受熱后不斷釋放氨氣，部分氨氣與鉚釘表面的水汽結(jié)合，生成腐蝕介質(zhì)——氨水，氨水與受拉應(yīng)力的黃銅鉚釘發(fā)生式（1）—（4）的化學(xué)反應(yīng)，最終導(dǎo)致黃銅鉚釘在15個(gè)濕熱試驗(yàn)周期后發(fā)生斷裂失效。

3 結(jié)論與建議

該航空鈕子開關(guān)中黃銅鉚釘斷裂是在濕熱環(huán)境誘導(dǎo)下發(fā)生的應(yīng)力腐蝕斷裂。機(jī)理過程為：開關(guān)殼體在高溫高濕環(huán)境下釋放的氨氣與H62黃銅鉚釘發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，使鉚釘表面生成晦暗膜和脫鋅疏松層。由于拉應(yīng)力的存在，膜層不斷破裂，脫鋅層不斷增長，最終導(dǎo)致鉚釘發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂。

應(yīng)力腐蝕斷裂是一種具有突發(fā)性、不可預(yù)測(cè)性的脆性破壞，會(huì)對(duì)產(chǎn)品乃至航空飛行器的安全運(yùn)行造成災(zāi)難性的破壞[17-18]。因此，為了提升航空飛行器和其他武器裝備系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性，在科研試制和選用鉚釘及其他緊固件時(shí)可參考以下建議和措施：

1）在鉚釘表面噴涂長效硬膜水置換型緩蝕劑[19]，通過緩蝕劑滲透將鉚釘表面滯留的水置換出來，并在表面形成防護(hù)層，隔絕水汽進(jìn)入鉚接孔或安裝孔內(nèi)。

2）當(dāng)緊固件材質(zhì)為黃銅材質(zhì)時(shí)，可在原料中添加稀土元素抑制脫鋅[20-21]，提升黃銅及其他對(duì)氨敏感的銅合金材質(zhì)的抗應(yīng)力腐蝕能力。

3）將黃銅鉚釘鄰近殼體材料換成無氨的酚醛模塑料，以去除氨的來源。同時(shí)，當(dāng)航空或武器裝備緊固件鄰近的部件為樹脂材質(zhì)時(shí)，盡量選擇原材料加工及生產(chǎn)過程中不引入氨的材料。