TB8鈦合金高鎖螺栓安裝斷裂原因

許永春, 李祥軍, 李旭健, 孫曉軍, 董晨曦, 周玉寶

(1.河南省緊固連接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 信陽 464000；2.河南航天精工制造有限公司, 信陽 464000；3.航天精工股份有限公司, 天津 300304)

TB8鈦合金是一種新型亞穩(wěn)態(tài)β型鈦合金，其具有較好的冷成型性、良好的抗氧化性和耐腐蝕性，及優(yōu)異的熱穩(wěn)定性等[1-2]。TB8鈦合金可用于制作對工作溫度要求較高的飛機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)件等[3]。隨著航空技術(shù)的發(fā)展，對現(xiàn)代飛機(jī)的緊固件連接提出了小質(zhì)量、高強(qiáng)度、長壽命、易安裝等要求，鈦合金高鎖螺栓具有高強(qiáng)度、小質(zhì)量、可控預(yù)載荷、高疲勞壽命等特點(diǎn)，在航空工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用[4]。

某表面有鋁涂層的TB8鈦合金高鎖螺栓在裝配過程中發(fā)生斷裂，筆者采用一系列理化檢驗(yàn)方法對該高鎖螺栓的斷裂原因進(jìn)行了分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

斷裂螺栓宏觀形貌如圖1所示，由圖1可知：螺栓斷裂位置為離收尾部位約2扣螺紋處，與斷裂螺栓配套安裝的高鎖螺母外觀較為完好，斷徑槽未被擰斷；螺栓光桿部位表面涂層損傷較為嚴(yán)重，螺栓頭下圓角表面鋁涂層局部存在明顯損傷，而相對面圓角鋁涂層較為完好，表明螺栓在安裝過程中存在偏斜。

1.2 斷口分析

將螺栓斷口用無水乙醇和超聲波清洗后，在掃描電鏡(SEM)下進(jìn)行觀察，斷口的微觀形貌如圖2所示。由圖2可知：高鎖螺栓斷口呈灰色，斷面較為平齊，裂紋源區(qū)位于螺紋牙根處，呈線性特征，未見夾雜物、氣孔等缺陷和陳舊性裂紋；整個(gè)斷面均呈韌窩形貌。

1.3 金相檢驗(yàn)

在斷裂螺栓頭下圓角和螺紋處取樣，在光學(xué)顯微鏡下觀察，顯微組織形貌如圖3所示。由圖3可知：頭下圓角和螺紋金屬流線正常，顯微組織為β基體上析出的α強(qiáng)化相，未見過熱、表面污染、磨削燒傷等缺陷；牙頂處存在折疊，深度約為0.08 mm，顯微組織符合技術(shù)要求。

1.4 力學(xué)性能測試

對同批次未用螺栓進(jìn)行破壞拉力、雙剪應(yīng)力及疲勞性能試驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。未用螺栓破壞拉力、雙剪應(yīng)力及疲勞性能試驗(yàn)結(jié)果均大于標(biāo)準(zhǔn)要求，且數(shù)據(jù)一致性較好。

表1 同批次螺栓力學(xué)性能測試結(jié)果

對與斷裂螺栓配套安裝的高鎖螺母進(jìn)行了擰斷力矩、鎖緊力矩、預(yù)緊力試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示,數(shù)據(jù)均滿足產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 配套高鎖螺母力學(xué)性能測試結(jié)果

2 綜合分析

該斷裂TB8鈦合金高鎖螺栓頭下圓角處部分涂層可見明顯損傷，另一側(cè)涂層完好，表明螺栓在安裝過程中存在偏斜現(xiàn)象；斷口較為平齊，未見陳舊性裂紋，斷口均為韌窩形貌。

由上述分析可知， TB8鈦合金高鎖螺栓斷裂形式為過載，即安裝過程中螺栓所受載荷超出螺栓自身強(qiáng)度。高鎖螺栓和高鎖螺母裝配方式如圖4所示。在安裝時(shí)，固定螺栓、旋轉(zhuǎn)螺母，當(dāng)斷徑槽被擰斷時(shí)，螺母達(dá)到最大安裝力矩，同時(shí)螺栓所受預(yù)緊力也達(dá)到最大值。配套高鎖螺母斷徑槽未發(fā)生斷裂，表明螺母還未加載到最大扭矩，螺栓就發(fā)生了斷裂。由斷裂螺栓頭下圓角和光桿表面涂層損傷痕跡可知：在安裝過程中，螺栓與安裝孔存在不同軸現(xiàn)象。為了進(jìn)一步驗(yàn)證安裝不同軸對螺栓破壞拉力的影響，在螺栓頭下放置不同斜度的墊片(見圖5)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)方案如表3所示。

表3 放置不同斜度墊片拉伸試驗(yàn)方案

試驗(yàn)方法依據(jù)GJB 715.23A—2008 《緊固件試驗(yàn)方法 拉伸強(qiáng)度》，拉力與斜度的關(guān)系如圖6所示。由圖6可知：隨著墊片斜度的不斷增加，拉力逐漸降低，當(dāng)斜度增加至6°時(shí)，螺栓破壞拉力均小于標(biāo)準(zhǔn)值，其中1件螺栓的破壞拉力已經(jīng)接近螺母預(yù)緊力下限；當(dāng)斜度增至8°時(shí)，除破壞拉力小于標(biāo)準(zhǔn)值外，其中1件螺栓的破壞拉力甚至小于螺母最小預(yù)緊力的要求。

由于螺栓與安裝孔不同軸，并且隨著斜度的增加，螺栓所承受的破壞拉力急劇降低。螺栓在安裝過程中除受扭拉載荷外，還承受一定的彎矩[5]。當(dāng)擰緊力矩逐漸增大到預(yù)緊力，且超出螺栓所承受的最大載荷時(shí)，與結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼和高溫合金相比，鈦合金對表面缺陷具有更大的敏感性[6]，當(dāng)高強(qiáng)度螺栓受拉力時(shí)，螺紋可以看作缺口，因此在螺紋根部會(huì)產(chǎn)生高應(yīng)力集中[7]，造成螺紋處最大受力部位斷裂，而此時(shí)扭矩還未達(dá)到使高鎖螺母斷徑槽扭斷的最大力矩。螺栓斷裂位置為離螺紋收尾處約2扣螺紋處，此處有一定程度的應(yīng)力集中[8]。在實(shí)際裝配過程中，由于結(jié)構(gòu)限制，在一些邊角處用常規(guī)工具難以保證制孔質(zhì)量[9]，應(yīng)定制開發(fā)新型制孔及安裝工具，以保證螺栓的正確裝配。

3 結(jié)論及建議

(1) 該螺栓斷裂形式為過載。螺栓無冶金缺陷，力學(xué)性能符合技術(shù)要求；在安裝過程中,存在螺栓與安裝孔不同軸現(xiàn)象，使螺栓受額外彎曲應(yīng)力，導(dǎo)致螺栓軸向承載能力下降。

(2) 對結(jié)構(gòu)受限而導(dǎo)致安裝孔難加工及緊固件難安裝的問題，應(yīng)開發(fā)新型制孔工具和安裝工具，以提升緊固件的安裝質(zhì)量。