分享：TC4钛合金高锁螺栓发生异常双剪断裂原因

许永春,周 杰,沈 鹏,孙晓军,张钦莹,朱鹏飞 

(河南航天精工制造有限公司 河南省紧固连接技术重点实验室,信阳 464000) 

摘 要:某 TC4钛合金高锁螺栓在双剪试验过程中发生异常断裂。采用宏观观察、显微组织观 察、断口分析和双剪试验,分析了该高锁螺栓发生异常双剪断裂的原因。结果表明:在该高锁螺栓 的热处理过程中,其在真空炉中未被及时取出,使螺栓在炉中长时间保温,形成较厚的表面污染层 和显微裂纹;通过分析高锁螺栓的加工工艺可知,在热处理后的精车工序中,加工余量较小,导致螺 栓表面污染层未被完全去除,在双剪试验过程中受弯矩作用,显微裂纹沿着脆而硬的表面污染层快 速扩展,直至螺栓断裂。

关键词:TC4钛合金;高锁螺栓;双剪;断裂;表面污染;显微裂纹 

中图分类号:TG115 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)03-0066-04

TC4钛合金是一种 α+β双相钛合金,含 6% (质量分数)的α相稳定元素铝和4%(质量分数)的 β相稳定元素钒,具有优良的耐蚀性、较小的密度和 高比强度,综合性能优异,广泛用于航空航天紧固件 (螺栓、螺钉及螺母)等的制造,相当于美国的 Ti- 6Al-4V 钛合金[1-4]。TC4钛合金紧固件经固溶+时 效处理后,其抗拉强度可达 1100MPa以 上,剪切 强度达670MPa以上。为了检验 TC4钛合金高锁 螺栓的综合性能,通常分析其破坏拉力、双剪力、疲 劳、氢含量、显微组织等[5],双剪力按 GJB715.26A -2008《紧固件试验方法 双剪》标准要求,在螺栓光 杆部位进行检测。

某批次 MJ6规格 TC4钛合金高锁螺栓的加工 工艺流程为下料→镦头→热处理→喷砂→精车→滚 R→滚丝→表面处理→终检→入库。在终检的双剪 试验过程中共剪切5件高锁螺栓,其中有1件高锁 螺栓发生异常断裂。正常双剪断裂高锁螺栓的双剪 力为41.03kN,异常双剪断裂高锁螺栓的双剪力仅 为18.34kN。笔者对异常断裂件进行一系列检验 与分析,找出其异常双剪断裂的原因,以期提升高锁 螺栓的质量。

1 理化检验 

1.1 宏观观察

如图1所示,异常断裂位置在高锁螺栓双剪位 置中部,仅双剪位置附近存在涂层脱落现象,其余部 位未见明显损伤。 

1.2 断口分析 

采用体视显微镜和扫描电镜,对异常双剪断裂 高锁螺栓进行断口分析。如图2所示:宏观观察可 见断口平齐,未见明显塑性变形;a区为裂纹源区, 位 于断口边缘,呈灰黑色,可能存在裂纹;b区呈灰 图1 异常双剪断裂高锁螺栓的宏观形貌 白色;放大观察发现,a区呈片层状解理形貌,存在 撕裂台阶;近螺栓侧面呈颗粒状形貌;b区呈典型的 韧窝形貌。

1.3 显微组织观察

在异常双剪断裂高锁螺栓断口处截取试样,在 金相显微镜下观察其显微组织。如图3所示:未见 魏氏组织等 TC4钛合金典型的过热、过烧现象,螺 栓表面有较厚的污染层,厚度约为1.16mm;表面污 染层上存在微裂纹,次表面组织为密集分布的等轴 状α相;心部组织为正常的固溶+时效处理态组织, 即初生的α相+转变的β相。

2 双剪试验 

为了验证表面污染对 TC4钛合金双剪性能的 影响,选取了与异常双剪断裂螺栓同批次的 TC4钛 合金高锁螺栓,将其加工成直径为6mm 的光滑试 样,记为模拟高锁螺栓,然后按照与异常双剪断裂螺 栓相同的固溶温度940 ℃,在空气炉中保温不同时 间后,其表面生成不同厚度的表面污染层,再以异常 双剪断裂螺栓相同的时效制度进行处理。每个方案 取3个平行试样,具体热处理制度如表1所示。

依据 GB/T23603-2009《钛及钛合金污染层检 测方法》和 GJB715.26A-2008《紧固件试验方法 双 剪》标准中的试验方法,分别对不同热处理制度下的 模拟高锁螺栓进行表面污染层厚度测量和双剪试验。 

由表2和图4可见:表面污染层厚度随固溶保 温时间的增加而逐渐增大,与固溶保温时间近似呈 线性关系。双剪力随表面污染层厚度的增加而逐渐 减小;在方案4条件下进行双剪试验时,1件螺栓的 双剪曲线 出 现 明 显 波 动,双 剪 力 先 平 滑 上 升 至 约 34kN 后,突然呈直线下降至30kN,然后又平滑上升至36.41kN,此时螺栓发生断裂。 

对方案4条件下异常双剪断裂的模拟高锁螺栓 进行显微组织观察和断口分析。如图5、图6和图7 所示:双剪部位存在开裂现象,开裂部位表层呈灰黑 色片层状解理断裂的形貌特征,次表面为颗粒状沿 晶开裂形貌,灰色区域呈韧窝形貌,整个断口形貌与 异常双剪断裂螺栓的相似;靠近断口区域存在污染 层和显微裂纹。在方案4条件下模拟高锁螺栓表面 形成的污染层较厚,同时存在显微裂纹,在双剪过程 中,受到持续的剪切力作用,导致显微裂纹沿表面污 染层扩展,使应力释放,双剪曲线出现直线下降,而 后继续在剪切力作用下,双剪曲线又平滑上升,直至 螺栓断裂。

3 分析与讨论 

由异常双剪断裂高锁螺栓的断口形貌和显微组 织可知,其断口表面呈层片状解理断裂的形貌,心部 为韧窝形貌,螺栓表面存在较厚的表面污染层和显 微裂纹。TC4钛合金高锁螺栓通过热处理进行强 化后才能达到使用要求,钛金属较为活泼,在真空环 境中进行高温固溶处理时,由于真空度不足,环境气 氛中存在氧等半径较小的原子在高温作用下扩散至 产品表面,形成富氧的硬、脆污染层[6]。有研究表 明,钛合金表面污染层硬度高、塑性低,这会影响材 料的疲劳性能、断裂韧度和冲击性能[7],钛合金在急剧变形或受力时表面会发生开裂。因此,钛合金高 锁螺栓相关标准中要求螺栓头部支撑面、光杆、螺纹 等关键部位不允许有表面污染层[8]。

通过不同热处理制度条件下的双剪试验结果可 知,双剪力与表面污染层厚度呈反比,保温时间越 长,螺栓表面污染层越厚,双剪力越小,表面污染层 厚度、保温时间、双剪力三者之间呈近似线性关系。 采用与异常双剪断裂高锁螺栓相同的热处理制度和 设备进行热处理后,模拟高锁螺栓存在约0.3 mm 厚的表面污染层,方案4 条件下双剪曲线异常的模 拟高锁螺栓与异常双剪断裂高锁螺栓断口特征相 似。在相同的热处理制度条件下,经真空炉处理后, 模拟高锁螺栓表面污染层厚度比经空气炉处理后的 小。因此,该模拟高锁螺栓在真空炉中存在更长时 间的反复加热和保温现象。 

综上所述,该高锁螺栓出现异常双剪断裂的主 要 原因是在热处理过程中,其在真空炉中未被及时取出,使螺栓在炉中长时间保温,形成较厚的表面污 染层和显微裂纹。通过分析高锁螺栓的加工工艺可 知,在热处理后的精车工序中,加工余量较小导致高 锁螺栓表面污染层未被完全去除,在双剪试验过程 中受剪切力作用,显微裂纹沿着脆而硬的表面污染 层快速扩展,直至螺栓断裂。

4 结论及建议

(1)该 TC4钛合金高锁螺栓异常双剪断裂的 主要原因是存在较厚的表面污染层和显微裂纹,在 双剪试验过程中受弯矩作用,显微裂纹沿表面污染 层迅速扩展,直至螺栓断裂。

(2)建议加强热处理过程管理,及时清理热处 理炉,避免产品在热处理炉中滞留时间过长导致其 表面污染层增厚。

参考文献: [1] 董瑞峰,李金山,唐斌,等.航空紧固件用钛合金材料 发展现状[J].航空制造技术,2018,61(4):86-91. [2] 李蒙,凤伟中,关蕾,等.航空航天紧固件用钛合金材 料综述[J].有 色 金 属 材 料 与 工 程,2018,39(4):49- 53. [3] 胡隆伟,叶文君.紧固件材料手册[M].北京:中国宇 航出版社,2014. [4] 朱李云,程全士,胡 庆 宽,等.Ti-6Al-4V 航 空 紧 固 件 热成形温度对显微组织的影响研究[J].金属加工(热 加工),2016(23):15-17. [5] 张庆云,陆业航,李众城,等.TC4钛合金紧固件的 α 污染层[J].中国有色金属学报,2010,20(S1):1013- 1015. [6] 高守林,黄重国,雷鹍,等.热处理对 TC4钛合金富氧 α层的影响[J].热加工工艺,2018,47(20):243-246. [7] 陈容,刘兆华,张达富,等.α污染层对 Ti-6Al-4V 铸造 钛合金 组 织 与 性 能 的 影 响 [J].钢 铁 钒 钛,2017,38 (4):48-52. [8] 侯崑,张辉.英制轻型钛合金高锁螺栓鉴定试验探讨 [J].航空标准化与质量,2008(5):49-53.

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