分享：0Cr16Ni6热轧退火钢螺纹定位销断裂原因

孙家冬,杨 巍,康 凯 [沈阳飞机工业(集团)有限公司,沈阳 110034] 

摘 要:某0Cr16Ni6热轧退火钢螺纹定位销在服役过程中其变截面过渡区小端发生断裂。对该螺纹 定位销进行了宏观观察、扫描电镜分析、化学成分分析、硬度测试等综合分析,并结合开展了疲劳试验、扭 转试验、热曝露试验、磁粉检测、仿真模拟等相关试验,分析和验证了螺纹定位销的断裂过程及原因。结 果表明:可以排除材料本身缺陷及机械加工原始缺陷的可能性;螺纹定位销的装配过程操作不当造成零 件表面划伤,在划伤部位产生应力集中,使螺纹定位销的疲劳强度降低,最终导致疲劳断裂。 

关键词:热轧退火钢;螺纹定位销;疲劳断裂;仿真模拟 中图分类号:TG115.5 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)10-0050-04

螺纹定位销用于锁紧和固定飞机某动力结构的 主承力销,起到防止因主承力销造成飞行事故的作 用。该螺纹定位销由0Cr16Ni6热轧退火钢棒材加工 而成,主要加工工序为:车削-磨削-热处理-滚丝-磁粉 检测。某0Cr16Ni6热轧退火钢螺纹定位销在服役过 程中发生断裂,笔者对该螺纹定位销的结构、材料、断 口形貌及装配机理等方面进行分析,复现了断裂现 场,分析和验证了螺纹定位销的断裂过程及原因。

1 理化检验

1.1 宏观观察

螺纹定位销的结构分为头部、定位光杆部分、变 截面部分及螺纹部分。其中光杆部位加工工艺为磨 削,变截面部位加工工艺为车削,螺纹部位加工工艺 为滚丝。螺纹规格为 M6-e6,定位光杆直径为8mm, 公差等级为f7,中间采用34°变截面连接。在完成所 有加工工序后对其进行磁粉检测,对检测合格的螺纹 定位销进行镀铜处理。螺纹定位销的断裂处为变截 面过渡区小端。 断裂螺纹定位销整体及其断口的宏观形貌如图 1所示。断口位于变截面过渡区靠近小端处,垂直 于轴线,未见明显塑性变形,可见疲劳弧线特征,疲 劳由表面线性起源,疲劳源区整体比较平整,源区未 见冶金缺陷和机械加工痕迹。稳定扩展区的断面平 坦细密,疲劳裂纹扩展较充分,可见该螺纹定位销的 工作载荷并不大,但起源特征表明裂纹萌生应力较 大[1-4]。分析其断裂过程为由表面向心部扩展。心部局部光亮,这是由断裂后断面彼此摩擦导致的。 断口外侧存在一个与轴向约呈一定夹角的下凹 环形斜面,环形斜面呈棕红色,这是因为表面镀铜脱 落后落入凹环形面,与断面摩擦,从而黏附在环形断 面处。 观察螺纹定位销光杆部位及变截面部位,发现 铜镀层发生环状脱落,存在目视可见的环形凹痕,初 步分析应为装配过程或者使用过程中造成的损伤。

1.2 化学成分分析

将断裂的螺纹定位销沿轴线方向剖开并取样,采用直读光谱仪分析其化学成分,结果如表1所示。 由表 要求 1 。

1.3 扫描电镜分析 

采用超 声 波 清 洗 螺 纹 定 位 销 后,在 扫 描 电 镜 (SEM)下对断 口 环 形 面 进 行 观 察,未 见 明 显 的 夹 杂、疏松和气孔等缺陷,环形面大部分区域均可见约 呈45°的犁痕,犁痕方向有一定规律性[见图2a)]。 同时选取一件未断裂的螺纹定位销,对螺纹滚压区 [见图2b)]和车削区[见图2c)])进行观察,发现也 存在方向性较强的犁痕,形貌特征符合相关机械加 工特征[5]。

2 对比试验与仿真模拟

2.1 疲劳试验

选取一个与断裂螺纹定位销同规格的未断裂螺 纹定位销(试样1)进行疲劳试验,查找正常疲劳断裂 位置,并分析其断面形貌。发现该定位销断裂于第一 个螺纹根部,而不是变截面过渡区。螺栓的断裂最常 发生在头部与螺杆交接处,以及螺纹与螺杆交接处的 不完全螺纹(靠近螺母的第一个螺纹)部位,尤其以断 裂于第一个螺纹处最为普遍,因为该位置承受载荷最 大,应力也最大[6-7]。经过对比,试样1的断口形貌及 断裂位置与断裂螺纹定位销完全不同。试样1的断 裂位置及断口的宏观形貌如图3所示。 

2.2 扭转试验 

另选取一个与断裂螺纹定位销同规格的未断裂 螺纹定位销(试样2)进行扭转试验,用于模拟异常 使用情况。模拟使用环境,对试样2进行非正常的 大应力扭转和切应力疲劳载荷试验。试样2断裂于第一个螺纹根部,而不是变截面过渡区。试样2的 断裂位置及断口的宏观形貌如图4所示。 

2.3 热曝露试验

断裂螺纹定位销的断口环形面含铜元素,为了 验证铜元素是否存在热迁移,根据其使用环境、镀铜 时间及工作时间,开展热曝露试验。将试样1放入 120 ℃的烘箱中14d,检查其断口,结果未发现铜 层,可以排除铜元素热迁移的可能性。

2.4 模拟缺陷试样的磁粉检测及疲劳试验 

   因不能排除交付前存在机械加工缺陷的可能性, 制作模拟缺陷试样,并对试样开展磁粉检测及疲劳试验。按断裂螺纹定位销的尺寸制作 3 组对比试样 (未滚压螺纹),在原有断裂区域预制7个不同尺寸的 刻槽(见图5),具体尺寸(宽×深)分别为:第一组为 0.1mm×0.3 mm,0.1 mm×0.5 mm;第 二 组 为 0.3mm×0.1mm,0.3mm×0.3mm,0.3mm×0.5mm; 第三组为0.5mm×0.1mm,0.5mm×0.3mm。

经过磁粉检测,仅第一组刻槽试样可检出缺陷。 刻槽的深宽比越大,漏磁场也越强,更易于发现缺 陷;如果刻槽宽度过大则无法检测出来,但是对于裂 纹尺寸过大等情况,肉眼是可见的,交付时就能发 现。这就排除了交付时漏检的可能性。 对模拟缺陷试样开展疲劳试验,虽然试样断裂 在刻槽部位,但是断口形貌与断裂的螺纹定位销形 貌不同。对此,经过模拟缺陷试验验证,排除了机械 加工缺陷的可能性。

2.5 仿真模拟 

将螺纹定位销的三维模型导入到有限元分析软 件 ABAQUS中,根据定位销的实际服役情况和断 裂位置,对其螺纹(除第一圈螺纹外)施加全固定,对定位销施加拉力和扭力载荷,可见定位销的应力集 中位置有两处,一处为螺纹收尾处,一处为变截面过 渡区,模拟试验证明了螺纹定位销断裂的原因可能 与变截面过渡区的异常应力集中相关,螺纹定位销 的应力分布云图如图6所示。 

3 装配过程分析

观察断裂的螺纹定位销,发现其光杆部位下端 存在6条目视可见的环形凹痕,变截面部位同样存 在3条目视可见的环形凹痕,且凹痕部位表面镀铜 层已脱落,目视可见凹陷深度。分析其安装部位,该 部位整体为通孔结构。装配时需要使用螺纹定位销 及下侧的弧形螺纹块将基体件、空心轴套固定起来。 观察断裂螺纹定位销的外观,并结合装配过程 对其进行分析,安装时可能存在螺纹推力销轴线与 空心轴套定位孔轴线不同轴的情况(见图7)。当空 心轴套定位孔轴线与螺纹推力销的轴线发生1.7°偏 差时,螺纹定位销的孔边与定位销变截面下端干涉。 随着螺纹定位销的不断拧紧,空心轴套受到螺纹定位销变截面的限制,并随着变截面锥度被动发生旋 转,当彼此轴线发生0.5°偏差时,空心轴套定位孔 边与螺纹定位变截面上端干涉。随着进一步拧紧定 位销,空心轴套定位孔边不断刮擦螺纹定位销圆柱 面,导致螺纹定位销表面产生凹痕。凹痕处为应力 集中区域,易使定位销发生疲劳断裂。

4 综合分析 

通过对断裂螺纹定位销的断口进行检查,可见 疲劳弧线和典型的疲劳条带,可以确定该螺纹定位 销在某种因素影响下发生了疲劳断裂。 基于断裂螺纹定位销结构及装配过程开展分 析,其受到垂直于轴线的剪切力和沿着轴线方向的 轴向拉力。发生疲劳断裂的原因有:材料疲劳强度 不足、装配及工作应力过大、表面缺陷(如沟槽、凹痕 及加工刀痕等)、表面有尖角等应力集中区以及热处 理缺陷(如氢脆)[8-11]、材料 缺 陷 (如 夹 杂、疏 松、气 孔、微裂纹)等。 对断裂螺纹定位销进行了 SEM 分析、化学成 分分析及硬度测试,排除了材料本身存在缺陷的可 能性;对断裂螺纹定位销开展了疲劳试验和扭转试 验,排除了材料强度不足的可能性;对其开展仿真模 拟,发现定位销的应力集中位置有两个部位,一处为 螺纹收尾处,一处为变截面过渡区,证明了其断裂原 因可能为变截面过渡区的异常应力集中。对装配过 程进行分析并模拟装配时的轴线偏移情况,证明了 轴线偏移可以导致螺纹定位销表面产生环形凹痕, 凹痕处为应力集中区域,易造成疲劳断裂。 经过各种检查及相关试验验证,可知螺纹定位 销的断裂过程为:螺纹定位销在装配时,其轴线与空 心轴套定位孔轴线不重合,在拧紧过程中,空心轴套 定位孔边刮擦螺纹定位销变截面及圆柱面,导致螺 纹定位销相关表面产生环形凹痕。环形凹痕处为应 力敏感区,定位销在环形凹陷区域发生应力集中,并 萌生裂纹,裂纹持续扩展,当裂纹区域疲劳强度低于 承受的工作拉力时,螺纹定位销发生瞬间断裂。

5 结语及建议 

螺纹定位销的断裂属于疲劳断裂,造成疲劳断 裂的主要原因是在安装过程中螺纹定位销轴线与空 心轴套定位孔轴线不重合,导致彼此刮擦产生凹痕, 凹痕处的应力集中使应力增大,当螺纹定位销所受 载荷超过了材料的疲劳强度时,裂纹会不断扩展直 至断裂。建议在螺纹定位销装配时增加预安装工 序:首先用专用工具将基体件、空心轴套定位孔调整 同轴,然后再安装螺纹定位销,杜绝装配时刮伤螺纹 定位销表面的情况。