TC4鈦合金高鎖螺栓發生異常雙剪斷裂原因

許永春, 周 杰, 沈 鵬, 孫曉軍, 張欽瑩, 朱鵬飛

(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, 信陽 464000)

TC4鈦合金是一種α+β雙相鈦合金，含6%(質量分數)的α相穩定元素鋁和4%(質量分數)的β相穩定元素釩，具有優良的耐蝕性、較小的密度和高比強度，綜合性能優異，廣泛用于航空航天緊固件(螺栓、螺釘及螺母)等的制造，相當于美國的Ti-6Al-4V鈦合金[1-4]。TC4鈦合金緊固件經固溶+時效處理后，其抗拉強度可達1 100 MPa以上，剪切強度達670 MPa以上。為了檢驗TC4鈦合金高鎖螺栓的綜合性能，通常分析其破壞拉力、雙剪力、疲勞、氫含量、顯微組織等[5]，雙剪力按GJB 715.26A-2008《緊固件試驗方法 雙剪》標準要求，在螺栓光桿部位進行檢測。

某批次MJ6規格TC4鈦合金高鎖螺栓的加工工藝流程為下料→鐓頭→熱處理→噴砂→精車→滾R→滾絲→表面處理→終檢→入庫。在終檢的雙剪試驗過程中共剪切5件高鎖螺栓，其中有1件高鎖螺栓發生異常斷裂。正常雙剪斷裂高鎖螺栓的雙剪力為41.03 kN，異常雙剪斷裂高鎖螺栓的雙剪力僅為18.34 kN。筆者對異常斷裂件進行一系列檢驗與分析，找出其異常雙剪斷裂的原因，以期提升高鎖螺栓的質量。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

如圖1所示，異常斷裂位置在高鎖螺栓雙剪位置中部，僅雙剪位置附近存在涂層脫落現象，其余部位未見明顯損傷。

圖1 異常雙剪斷裂高鎖螺栓的宏觀形貌

1.2 斷口分析

采用體視顯微鏡和掃描電鏡，對異常雙剪斷裂高鎖螺栓進行斷口分析。如圖2所示：宏觀觀察可見斷口平齊，未見明顯塑性變形；a區為裂紋源區，位于斷口邊緣，呈灰黑色，可能存在裂紋；b區呈灰白色；放大觀察發現，a區呈片層狀解理形貌，存在撕裂臺階；近螺栓側面呈顆粒狀形貌；b區呈典型的韌窩形貌。

圖2 異常雙剪斷裂高鎖螺栓斷口的宏觀形貌和不同區域的微觀形貌

1.3 顯微組織觀察

在異常雙剪斷裂高鎖螺栓斷口處截取試樣，在金相顯微鏡下觀察其顯微組織。如圖3所示：未見魏氏組織等TC4鈦合金典型的過熱、過燒現象，螺栓表面有較厚的污染層，厚度約為1.16 mm；表面污染層上存在微裂紋，次表面組織為密集分布的等軸狀α相；心部組織為正常的固溶+時效處理態組織，即初生的α相+轉變的β相。

圖3 異常雙剪斷裂高鎖螺栓斷口不同位置的顯微組織

2 雙剪試驗

為了驗證表面污染對TC4鈦合金雙剪性能的影響，選取了與異常雙剪斷裂螺栓同批次的TC4鈦合金高鎖螺栓，將其加工成直徑為6 mm的光滑試樣，記為模擬高鎖螺栓，然后按照與異常雙剪斷裂螺栓相同的固溶溫度940 ℃，在空氣爐中保溫不同時間后，其表面生成不同厚度的表面污染層，再以異常雙剪斷裂螺栓相同的時效制度進行處理。每個方案取3個平行試樣，具體熱處理制度如表1所示。

表1 模擬高鎖螺栓的熱處理制度

依據GB/T 23603-2009《鈦及鈦合金污染層檢測方法》和GJB 715.26A-2008《緊固件試驗方法 雙剪》標準中的試驗方法，分別對不同熱處理制度下的模擬高鎖螺栓進行表面污染層厚度測量和雙剪試驗。

由表2和圖4可見：表面污染層厚度隨固溶保溫時間的增加而逐漸增大，與固溶保溫時間近似呈線性關系。雙剪力隨表面污染層厚度的增加而逐漸減小；在方案4條件下進行雙剪試驗時，1件螺栓的雙剪曲線出現明顯波動，雙剪力先平滑上升至約34 kN后，突然呈直線下降至30 kN，然后又平滑上升至36.41 kN，此時螺栓發生斷裂。

表2 不同熱處理制度下模擬高鎖螺栓的表面污染層深度和雙剪力

圖4 方案4條件下模擬高鎖螺栓的異常雙剪曲線

對方案4條件下異常雙剪斷裂的模擬高鎖螺栓進行顯微組織觀察和斷口分析。如圖5、圖6和圖7所示：雙剪部位存在開裂現象，開裂部位表層呈灰黑色片層狀解理斷裂的形貌特征，次表面為顆粒狀沿晶開裂形貌，灰色區域呈韌窩形貌，整個斷口形貌與異常雙剪斷裂螺栓的相似；靠近斷口區域存在污染層和顯微裂紋。在方案4條件下模擬高鎖螺栓表面形成的污染層較厚，同時存在顯微裂紋，在雙剪過程中，受到持續的剪切力作用，導致顯微裂紋沿表面污染層擴展，使應力釋放，雙剪曲線出現直線下降，而后繼續在剪切力作用下，雙剪曲線又平滑上升，直至螺栓斷裂。

圖5 方案4條件下模擬高鎖螺栓異常雙剪斷裂位置的宏觀形貌

圖6 方案4條件下異常雙剪斷裂模擬高鎖螺栓靠近斷口區域的顯微組織形貌

圖7 方案4條件下異常雙剪斷裂模擬高鎖螺栓斷口不同位置的微觀形貌

3 分析與討論

由異常雙剪斷裂高鎖螺栓的斷口形貌和顯微組織可知，其斷口表面呈層片狀解理斷裂的形貌，心部為韌窩形貌，螺栓表面存在較厚的表面污染層和顯微裂紋。TC4鈦合金高鎖螺栓通過熱處理進行強化后才能達到使用要求，鈦金屬較為活潑，在真空環境中進行高溫固溶處理時，由于真空度不足，環境氣氛中存在氧等半徑較小的原子在高溫作用下擴散至產品表面，形成富氧的硬、脆污染層[6]。有研究表明，鈦合金表面污染層硬度高、塑性低，這會影響材料的疲勞性能、斷裂韌度和沖擊性能[7]，鈦合金在急劇變形或受力時表面會發生開裂。因此，鈦合金高鎖螺栓相關標準中要求螺栓頭部支撐面、光桿、螺紋等關鍵部位不允許有表面污染層[8]。

通過不同熱處理制度條件下的雙剪試驗結果可知，雙剪力與表面污染層厚度呈反比，保溫時間越長，螺栓表面污染層越厚，雙剪力越小，表面污染層厚度、保溫時間、雙剪力三者之間呈近似線性關系。采用與異常雙剪斷裂高鎖螺栓相同的熱處理制度和設備進行熱處理后，模擬高鎖螺栓存在約0.3 mm厚的表面污染層，方案4 條件下雙剪曲線異常的模擬高鎖螺栓與異常雙剪斷裂高鎖螺栓斷口特征相似。在相同的熱處理制度條件下，經真空爐處理后，模擬高鎖螺栓表面污染層厚度比經空氣爐處理后的小。因此，該模擬高鎖螺栓在真空爐中存在更長時間的反復加熱和保溫現象。

綜上所述，該高鎖螺栓出現異常雙剪斷裂的主要原因是在熱處理過程中，其在真空爐中未被及時取出，使螺栓在爐中長時間保溫，形成較厚的表面污染層和顯微裂紋。通過分析高鎖螺栓的加工工藝可知，在熱處理后的精車工序中，加工余量較小導致高鎖螺栓表面污染層未被完全去除，在雙剪試驗過程中受剪切力作用，顯微裂紋沿著脆而硬的表面污染層快速擴展，直至螺栓斷裂。

4 結論及建議

(1) 該TC4鈦合金高鎖螺栓異常雙剪斷裂的主要原因是存在較厚的表面污染層和顯微裂紋，在雙剪試驗過程中受彎矩作用，顯微裂紋沿表面污染層迅速擴展，直至螺栓斷裂。

(2) 建議加強熱處理過程管理，及時清理熱處理爐，避免產品在熱處理爐中滯留時間過長導致其表面污染層增厚。