根部圓角滾壓強化的高精度鈦合金螺栓疲勞失效研究

劉婧穎,李浩楠,徐昊,楊知碩,林忠亮1,,3,王洪飛,白清順

(1. 天津市緊固連接技術企業重點實驗室,天津 300300; 2. 哈爾濱工業大學 機電工程學院,黑龍江 哈爾濱 150001;3. 航天精工股份有限公司,天津 300300)

0 引言

由于機械聯接結構的需要,孔結構在航空飛行器領域獲得了廣泛應用。螺接技術是實現飛機結構件緊固孔強化或聯接的一種重要干涉配合技術[1]。螺栓是實現螺紋連接的關鍵零件。螺栓的滾壓強化技術可以利用金屬在常溫狀態下的冷塑性特點,通過滾壓工具對螺栓表面施加一定的壓力,促使表層金屬發生彈塑性變形,使表層組織冷作硬化,改變表層微觀結構,提高其使用性能[2]。HWANG研究了高強螺栓滾壓后的塑性特征,分析了螺栓的硬度變化和拉伸強度,探究了不同強化工藝硬化率產生差異的主要原因[3]。鈦合金螺栓的滾壓強化工藝對強化層微觀組織會產生顯著的影響,研究螺栓失效后的斷口形貌對于掌握滾壓作用機制、優化滾壓工藝具有重要意義[4]。朱有利等采用多學科交叉綜合分析的方法,研究了螺栓疲勞斷裂失效的斷口形貌并提出抗疲勞改進措施[5]。鄭星等提出了一種基于分段線性回歸的疲勞裂紋檢測算法,通過建立回歸模型,能夠確定疲勞裂紋萌生的時間,從而針對發生疲勞破壞后的實測應變數據進行分析,實現對裂紋的準確檢測[6]。

本文針對鈦合金高精度沉頭螺栓的滾壓強化工藝進行了分析,研究了螺栓根部圓角滾壓強化疲勞失效的斷口形貌,揭示了螺栓表面處理工藝對疲勞失效的影響規律,為螺栓圓角滾壓強化工藝性能的提升提供參考。

1 螺栓滾壓強化工藝

航空領域的螺紋連接部件在復雜載荷綜合作用下極易發生疲勞失效,因此提高螺紋連接部件的疲勞壽命是長期關注的重點問題。在眾多針對螺栓的表面強化工藝中,滾壓強化工藝具有無污染、成本低、效率高、兼容性好等優勢,在航空工業領域得到廣泛的應用。研究表明,螺栓的根部較容易產生顯著的應力集中。因此對螺栓的根部圓角進行滾壓工藝強化是解決應力集中的重要工藝步驟。

螺栓的根部圓角滾壓強化又稱滾R工藝,是指在常溫環境中,采用滾壓設備使得根部圓角處金屬產生彈塑性變形,進而達到消除應力、提高抗疲勞強度的目的。圖1為螺栓根部圓角滾壓強化工藝示意圖。在對螺栓的根部圓角進行滾壓加工過程中,首先應在需要的滾壓螺栓根部圓角附近安裝3個位于同一水平面的滾輪;然后設定滾壓量、主軸轉速等工藝參數;繼而,3個滾輪開始轉動,同時沿螺栓的半徑方向進給并擠壓圓角,如此即完成1次對螺栓根部圓角的滾壓。

圖1 螺栓根部圓角的滾壓強化工藝

螺栓滾壓后,需要對其進行疲勞測試,檢測螺栓抵抗高周疲勞載荷作用的能力。一般要求疲勞試驗循環載荷的周次大于13萬次。

2 實驗測試對象

本文針對疲勞試驗后的螺栓斷口形貌進行檢測和分析。斷口形貌檢測的對象為鈦合金沉頭螺栓,光桿公差帶f9,頂部錐角100°,型號為6-29A,其外觀如圖2所示。螺栓材料為鈦合金Ti-6Al-4V。根據不同的螺栓根部圓角滾壓強化工藝,將10件螺栓試件分為4組,對其中9件施加疲勞試驗循環載荷,目標循環載荷的周次為13萬次,得到發生斷裂和未斷裂的試樣。測試對象具體情況如表1所示。所有測試鈦合金螺栓的根部都進行了圓角滾壓,其加工參數為滾壓力70kg,轉速450r/min,滾壓時間2s。為了分析表面處理工藝對疲勞失效的影響,對其中的部分零件進行了涂鋁、噴丸或拋光處理。

表1 實驗測試對象

圖2 測試的高精度螺栓

3 測試結果分析

3.1 宏觀光學形貌分析

為了得到試件的宏觀光學圖像,使用工業CCD相機對各個試件進行觀察分析。所用CCD相機放大倍數可以達到270倍,像素為3 800萬。觀察到的典型斷裂試件宏觀光學形貌如圖3所示,典型未斷裂試件外觀表面形貌如圖4所示。

圖3 典型斷裂試件宏觀光學形貌

圖4 典型未斷裂試件宏觀光學形貌

未斷裂試件的宏觀光學圖像中,螺栓頭與螺桿連接處未出現明顯的裂紋或其他表面缺陷。而發生斷裂的試件斷口表面形貌較復雜,呈現銀灰色金屬光澤,有的表現為較粗糙的表面特征,有的則存在明顯的凹坑或凸起。圖5所示為光學顯微鏡觀察獲得的宏觀斷口形貌。與只進行圓角滾壓加工而沒有涂鋁、噴丸或拋光的第1組試件對比,第2—4組斷裂試件斷口表面的凹坑或凸起數量更少,斷裂時材料的脫落更均勻,說明在圓角滾壓基礎上的涂鋁、噴丸或拋光處理在一定程度上可減少試件的劇烈斷裂。

圖5 光學顯微鏡觀察的試件斷口形貌

3.2 斷口表面微觀形貌分析

對于斷口表面的微觀形貌,使用掃描電子顯微鏡進行觀察分析。掃描電子顯微鏡的最大放大倍數為50萬倍,電子光學分辨率小于2.5nm,可以滿足斷口表面形貌的分析需求。

觀察只進行圓角滾壓強化處理的1號斷裂試件的斷口,發現其疲勞源數量較多,均位于根部圓角表面附近,且部分疲勞源所在位置存在一定程度的應力集中,這可能來源于加工過程的外來壓入載荷或表面缺陷[7]。裂紋擴展區占斷口總面積較小,分布有尺寸各異的小斷塊,從疲勞斷裂的整體過程看,裂紋發展較劇烈。1號試件斷口表面的瞬斷區圖像如圖6所示。由圖可知,疲勞失效的瞬斷區范圍較大,其中韌窩形貌顯著,基本符合韌性斷裂的失效機理特征,但該區域內也可見部分河流狀花樣,且存在一定數量的小晶粒,晶界已經呈現解理平面并伴隨著解理臺階,說明該斷口初步顯現少量脆性斷裂的特征[8]。

圖6 1號試件斷口表面瞬斷區

觀察進行圓角滾壓和涂鋁處理的第2組3號和4號斷裂試件的斷口。在兩個試件的斷口表面均只發現1處疲勞源,位于根部圓角表面的應力集中點。3號試件的疲勞源區如圖7所示,表現為較光滑的小片區域。裂紋擴展區可見典型的海灘花樣。圖8所示為3號試件斷口表面瞬斷區的形貌。由圖中可知,瞬斷區的大量韌窩當中個別為剪切韌窩,同時存在尺寸較大的等軸韌窩。與1號試件相比較,可以認為涂鋁處理的3號和4號斷裂試件韌性和屈服強度增大,力學性能有所提升。

圖7 3號試件斷口表面疲勞源區

圖8 3號試件斷口表面瞬斷區

觀察進行圓角滾壓、噴丸和涂鋁工藝處理的第3組5號和6號斷裂試件的斷口。試件圓角附近的表面缺陷出現疲勞源區,有1—2處。疲勞擴展區可見許多小斷塊及撕裂棱。試件斷口表面的瞬斷區形貌如圖9所示。瞬斷區大部分等軸韌窩尺寸較小,排列緊密,形狀均勻,而在斷口表面中心位置韌窩尺寸形狀則呈現較大、較深的特征。對比第1組和第2組試件,可以看出第3組試件具有顯著的韌性斷裂特征,韌性得到明顯的提升,可見噴丸處理工藝可以對根部圓角強化處施加的殘余應力,能夠有效地提升螺栓圓角滾壓處的力學性能。

圖9 5號試件斷口表面瞬斷區

對于進行圓角滾壓、拋光和涂鋁處理的第4組斷裂試件,斷口表面形貌與前述第3組斷裂試件相似。3件螺栓試件均只發現了一處疲勞源,瞬斷區可見許多尺寸較大較深的等軸韌窩,說明該加工工藝下試件的力學性能也有一定的改善。

3.3 涂鋁試件的裂紋源分析

使用白光干涉儀觀察未進行疲勞試驗或經過試驗后未斷的試件表面形貌。對未做疲勞試驗的第1組2號試件,取多個不同角度觀察圓角附近的表面形貌;進行疲勞試驗的第3組7號試件則在螺栓圓周方向上取6個不同角度進行觀察分析。2號試件其中一處典型的圓角表面形貌如圖10所示,7號試件其中一處典型的圓角表面形貌如圖11所示。未進行疲勞試驗的試件圓角表面較光滑,而進行疲勞試驗后未斷裂的試件圓角表面較為粗糙,存在直徑最大可達50μm的微小凸起形貌,初步判斷為試件的涂層為抵抗疲勞載荷而發生了變形造成的。

圖10 2號試件的圓角表面形貌

圖11 7號試件的圓角表面形貌

圖12所示為涂鋁斷裂試件斷口邊緣材料分層并發生剝離的形貌,根據掃描電子顯微鏡能譜的元素分析功能可以確定該分層材料主要為鋁。在雙材料界面的裂紋擴展中,裂紋一般是從相互粘結的兩種材料的其中一側開始發展;隨著裂紋的延伸,兩種材料的結合面會發生脫黏,裂紋也隨即在另一側的材料中繼續發展[9]。這說明試驗中鋁涂層的剝離是試件疲勞裂紋產生與發展的重要特征。螺栓根部圓角滾壓加工強化時涂層與基體緊密粘結,因此涂層在界面發生剝離后,將發生一定程度的變形,從而引起其表面形貌的變化。針對未斷裂的7號涂鋁強化試件,也發現了基體外表面附近的應力集中點作為裂紋源發展出疲勞裂紋的情況,進而使得鋁涂層產生界面剝離,并使其表面形貌發生變化。

圖12 涂鋁斷裂試件涂層與基體的剝離形貌

4 結語

1)斷裂的鈦合金高精度沉頭螺栓符合同類鈦合金材料疲勞斷裂規律,基本呈現韌性斷裂特征。

2)對只進行螺栓圓角滾壓強化處理的斷裂螺栓試件斷口的宏觀觀察分析,可見明顯的凹坑或凸起,并從微觀形貌中可以看出其疲勞源數量較多,斷裂過程劇烈,初步呈現脆性斷裂的特征。

3)進行螺栓圓角滾壓和涂鋁處理的斷裂螺栓試件斷口疲勞源數量明顯減少,等軸韌窩的數量增加。結合螺栓根部圓角強化的噴丸或拋光處理工藝,試件的斷口在等軸韌窩的數量、分布和尺寸上則體現出更大的優勢,進一步表現出顯著的韌性斷裂特征。

4)對于涂鋁加工處理的螺栓根部圓角強化試件,鋁涂層的界面剝離是試件疲勞裂紋產生與發展的重要特征。