0Cr12Mn5Ni4Mo3Al不銹鋼自鎖螺母的開裂原因

許永春,程全士,許彥偉,竇建偉,張曉玲,徐 儉,王 妍,姚 爽

(1.航天精工股份有限公司,天津 300300;2.天津市緊固連接技術重點實驗室,天津 300300)

0Cr12Mn5Ni4Mo3Al(69111)不銹鋼是我國20世紀60年代發展和應用的一種半奧氏體節鎳控制相變沉淀硬化不銹鋼,該材料在固溶狀態下組織為奧氏體,具有良好的韌性以及加工成形性能,經過適當冷變形、冷處理以及時效后,部分組織可轉變為馬氏體,從而獲得很高的強度[1-2]。該材料具有高強度,在航空、航天等工業領域得到廣泛應用,也被用于生產各類緊固件[3]。

采用高強度鋼如30Cr MnSiNi2A 等加工的飛機用螺栓和螺母等零件,需在表面鍍鎘保護,這不僅增加了氫脆風險,當此類緊固件與鈦合金產品配合使用時,還會促使鈦合金產品在高溫下產生鎘脆[4]。因此,常采用0Cr12Mn5Ni4Mo3Al不銹鋼代替高強鋼使用。 郭先闖等[5]研究了某航天用0Cr12Mn5Ni4Mo3Al不銹鋼波形彈性墊圈裝配后的斷裂問題,發現沖裁成形時彎折參數不當和原材料強度較高是造成該墊圈安裝后開裂的根本原因;楊勝等[6]研究了0Cr12Mn5Ni4Mo3Al不銹鋼彈簧的斷裂問題,發現材料中含有較多的脆性夾雜物是造成彈簧低溫脆斷的根本原因。

裝配在某型飛機上的某自鎖螺母(MJ14)采用0Cr12Mn5Ni4Mo3Al不銹鋼,抗拉強度≥1 500 MPa,使用環境主要為大氣環境和短時海洋大氣環境,服役近4 a,檢修拆卸、安裝時發現該螺母存在開裂現象。筆者對開裂螺母進行了理化分析,以期找到失效原因,提升螺母服役質量。

1 理化檢驗與結果

1.1 化學成分

對開裂螺母取樣,采用OPTIMA 7000DV 型電感耦合等離子光譜儀和CS744型碳硫分析儀進行化學成分分析,結果如表1所示,開裂螺母化學成分符合0Cr12Mn5Ni4Mo3Al不銹鋼棒技術條件要求。

表1 開裂螺母的化學成分Tab.1 Chemical Composition of the cracked nut

1.2 宏觀形貌

由圖1可見:開裂螺母表面存在黑色油脂,外觀未見明顯機械損傷,螺母開裂位置位于六方扳擰面近中間,裂紋沿軸向貫穿整個螺母,螺栓光桿受力部位表面存在局部磨損,表明螺栓在使用過程中存在一定的偏載;人工打開裂紋,根據斷口表面顏色將其分為A、B兩區,A 區色彩較暗,表面較為粗糙,呈銹黃色腐蝕形貌,B區顏色呈灰白色;法蘭面與螺母體交接處表面有點狀銹蝕痕跡。

圖1 開裂螺母的目視檢查及顯微鏡觀察結果Fig.1 Visual inspection（a）and microscopy observation（b，c）results of the cracked nut

1.3 微觀形貌

由圖2可知:A 區微觀斷口呈沿晶和準解理特征,斷口外表面被腐蝕產物覆蓋,局部可見泥紋狀花樣,斷口次表面沿晶特征明顯,擴展區呈準解理特征,斷面存在較多二次裂紋;B 區域主要為韌窩形貌,無明顯冶金缺陷。

圖2 開裂螺母的斷口微觀形貌Fig.2 Micro morphology of fracture of cracked nut：（a）outer edge of flange face in zone A；（b）mud patternin in zone A；（c）intergranular characteristics and corrosion products in zone A；（d）intergranular characteristics in zone A；（e）crack extension area in zone A；（f）zone B

對A 區和B區進行表面能譜分析,結果如表2所示,A 區表面局部高含O 元素及腐蝕性Cl、S元素;B 區均為0Cr12Mn5Ni4Mo3Al不銹鋼的基體元素。

表2 斷口表面的能譜分析結果Tab.2 EDS analysis results of the fracture surface

從裂紋部位取樣,采用Imager.A1m 型光學顯微鏡進行顯微組織觀察。由圖3可知:裂紋沿晶界擴展,斷面存在較多二次裂紋且末端呈分叉特征,裂紋附近未見對力學性能有較大影響的非金屬夾雜物;顯微組織為馬氏體+沉淀硬化相+少量δ-鐵素體,無過熱、過燒等冶金缺陷。

圖3 斷口部位拋光態形貌及顯微組織Fig.3 Polished morphology（a，b）and microstructure（c，d）on the surface of fracture

1.4 硬度

測試裂紋部位的維氏硬度,結果表明:A 區和B區硬度無明顯差異,平均值均為516 HV,均滿足標準要求(461～520 HV)。

2 討 論

開裂螺母和配套安裝螺栓外觀無明顯機械損傷,螺栓光桿受力部位存在磨損不均勻,表明螺栓受到一定的偏載作用;螺母開裂位置位于接近六方面中心部位,裂紋為貫穿性裂紋,裂紋周圍無明顯塑性變形痕跡;人工打開螺母表面,A 區呈黃色腐蝕形貌,斷面較為粗糙,可見顆粒狀形貌,微觀形貌呈沿晶+準解理,局部呈泥狀花樣,擴展區存在較多二次裂紋;B區呈灰白色,微觀形貌主要為韌窩。能譜分析結果表明,A 區含有較多的O 元素和腐蝕性Cl、S等元素,B區為材料基體元素。顯微組織觀察顯示,A 區存在較多的沿晶二次裂紋且末端呈分叉形貌,顯微組織為馬氏體+沉淀硬化相+少量δ-鐵素體,無過熱、過燒等冶金缺陷。A 區和B 區的維氏硬度無明顯差異。

螺母斷口表面呈沿晶和準解理特征的腐蝕形貌,局部有泥紋狀花樣。斷面存在腐蝕性元素Cl、S及較多二次裂紋等典型應力腐蝕特征,這說明螺母可能發生了應力腐蝕開裂。金屬材料產生應力腐蝕開裂應具備以下條件:材料具有應力腐蝕敏感性;受力狀態必須為拉應力;材料所處環境中存在特定的腐蝕介質[7]。0Cr12Mn5Ni4Mo3Al材料對Cl-等腐蝕性元素較為敏感[8];螺母為圓柱薄壁零件,與螺栓裝配后,其圓周切向應力為拉應力[9];飛機服役環境為大氣環境和短時海洋大氣環境,隨著近年來工業化進程的加快,大量工業廢氣排放到空氣中,Cl-普遍存在于大氣環境中[10],為螺母應力腐蝕開裂提供了必要的腐蝕介質;法蘭面與螺母體呈直角,在服役過程中,遇到雨雪天氣等潮濕環境,此處容易積液。在干濕交替環境中,裂紋尖端內部的Cl-會發生離子聚集和酸化,促進裂紋尖端的陽極溶解和陰極溶解產生氫脆效應,共同促進裂紋的萌生及擴展[11]。而SO2污染物生成的FeSO4,進一步促進了高強鋼的應力腐蝕開裂[12]。該螺母表面處理方式為鈍化后涂MoS2,耐蝕性較差。

綜上,螺母在服役過程中,受到腐蝕性介質和持續的周向拉應力,產生應力腐蝕,裂紋在法蘭面處萌生,隨著服役時間的延長,沿軸向逐步擴展,最后在安裝應力作用下過載開裂,形成貫穿性裂紋。

3 結論及建議

(1) 螺母在服役過程中,受潮濕大氣環境和短時海洋大氣干濕交替作用,在法蘭面與螺母體交接處形成點狀腐蝕坑,在腐蝕坑內部的尖端部位Cl-聚集酸化,產生陽極溶解和氫脆效應,在周切向拉應力作用下,產生應力腐蝕裂紋,裂紋沿螺母壁軸向擴展,隨著服役時間延長,裂紋逐步擴展,最后在安裝應力下螺母過載開裂。

(2) 建議優化螺母法蘭面設計,增大過渡區圓角尺寸并適當增加斜面過渡,減少或杜絕法蘭面積液情況。

(3) 建議在不改變安裝工藝的情況下,改善螺母表面涂覆工藝,增加螺母表面耐腐蝕能力。