许永春1,2,李祥军3,李旭健1,2,孙晓军1,2,董晨曦1,2,周玉宝1,2
(1.河南省紧固连接技术重点实验室,信阳 464000;2.河南航天精工制造有限公司,信阳 464000; 3.航天精工股份有限公司,天津 300304)
摘 要:某 TB8钛合金高锁螺栓在装配过程中发生断裂,采用宏观观察、断口分析、金相检验、 力学性能测试等方法对其断裂原因进行分析,结果表明:在安装过程中,螺栓与安装孔不同轴,使螺 栓受额外弯曲应力,在外加弯曲应力和轴向载荷的共同作用下,螺栓发生过载断裂。为了进一步 验证螺栓与安装孔不同轴对螺栓破坏拉力的影响,设计了在螺栓头下放置不同斜度垫片的拉伸试 验方案,得出随着斜度的增加,螺栓破坏拉力逐渐降低。
关键词:高锁螺栓;断裂;过载;力学性能 中图分类号:TG115.5 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)10-0067-04
TB8钛合金是一种新型亚稳态β型钛合金,其 具有较好的冷成型性、良好的抗氧化性和耐腐蚀性, 及优异的热稳定性等[1-2]。TB8钛合金可用于制作 对工作温度要求较高的飞机或发动机结构件等[3]。 随着航空技术的发展,对现代飞机的紧固件连接提 出了小质量、高强度、长寿命、易安装等要求,钛合金 高锁螺栓具有高强度、小质量、可控预载荷、高疲劳 寿命等特点,在航空工业中得到了广泛应用[4]。 某表面有铝涂层的 TB8钛合金高锁螺栓在装 配过程中发生断裂,笔者采用一系列理化检验方法 对该高锁螺栓的断裂原因进行了分析。
1 理化检验
1.1 宏观观察
断裂螺栓宏观形貌如图1所示,由图1可知: 螺栓断裂位 置 为 离 收 尾 部 位 约 2 扣 螺 纹 处,与 断 裂螺栓配套 安 装 的 高 锁 螺 母 外 观 较 为 完 好,断 径 槽未被拧断;螺 栓 光 杆 部 位 表 面 涂 层 损 伤 较 为 严 重,螺栓头下圆角表面铝涂层局部存在明显损伤, 而相对面圆 角 铝 涂 层 较 为 完 好,表 明 螺 栓 在 安 装 过程中存在偏斜。
1.2 断口分析
将螺栓断口用无水乙醇和超声波清洗后,在扫 描电镜(SEM)下进行观察,断口的微观形貌如图2 所示。由图2可知:高锁螺栓断口呈灰色,断面较为 平齐,裂纹源区位于螺纹牙根处,呈线性特征,未见 夹杂物、气孔等缺陷和陈旧性裂纹;整个断面均呈韧 窝形貌
1.3 金相检验
在断裂螺栓头下圆角和螺纹处取样,在光学显 微镜下观察,显微组织形貌如图3所示。由图3可 知:头下圆角和螺纹金属流线正常,显微组织为β基 体上析出的α强化相,未见过热、表面污染、磨削烧 伤等缺陷;牙顶处存在折叠,深度约为0.08mm,显 微组织符合技术要求。
1.4 力学性能测试
对同批次未用螺栓进行破坏拉力、双剪应力及 疲 劳性能试验,结果如表1所示。未用螺栓破坏拉 力、双剪应力及疲劳性能试验结果均大于标准要求, 且数据一致性较好。 对与断裂螺栓配套安装的高锁螺母进行了拧断 力矩、锁紧力矩、预紧力试验,结果如表2所示,数据 均满足产品标准要求。
2 综合分析
该断裂 TB8钛合金高锁螺栓头下圆角处部分 涂层可见明显损伤,另一侧涂层完好,表明螺栓在安 装过程中存在偏斜现象;断口较为平齐,未见陈旧性 裂纹,断口均为韧窝形貌。 由上述分析可知,TB8钛合金高锁螺栓断裂形 式为过载,即安装过程中螺栓所受载荷超出螺栓自 身强度。高锁螺栓和高锁螺母装配方式如图 4 所示。在安装时,固定螺栓、旋转螺母,当断径槽被拧 断时,螺母达到最大安装力矩,同时螺栓所受预紧力 也达到最大值。配套高锁螺母断径槽未发生断裂, 表明螺母还未加载到最大扭矩,螺栓就发生了断裂。 由断裂螺栓头下圆角和光杆表面涂层损伤痕迹可 知:在安装过程中,螺栓与安装孔存在不同轴现象。 为了进一步验证安装不同轴对螺栓破坏拉力的影 响,在螺栓头下放置不同斜度的垫片(见图5)进行 拉伸试验。试验方案如表3所示。
试验方法依据 GJB715.23A—2008 《紧固件试 验方法 拉伸强度》,拉力与斜度的关系如图6所示。 由图6可知:随着垫片斜度的不断增加,拉力逐渐降 低,当斜度增加至6°时,螺栓破坏拉力均小于标准 值,其中1件螺栓的破坏拉力已经接近螺母预紧力 下限;当斜度增至8°时,除破坏拉力小于标准值外, 其中1件螺栓
由于螺栓与安装孔不同轴,并且随着斜度的增 加,螺栓所承受的破坏拉力急剧降低。螺栓在安装 过程中除受扭拉载荷外,还承受一定的弯矩[5]。当 拧紧力矩逐渐增大到预紧力,且超出螺栓所承受的 最大载荷时,与结构钢、不锈钢和高温合金相比,钛 合金对表面缺陷具有更大的敏感性[6],当高强度螺 栓受拉力时,螺纹可以看作缺口,因此在螺纹根部会 产生高应力集中[7],造成螺纹处最大受力部位断裂, 而此时扭矩还未达到使高锁螺母断径槽扭断的最大 力 矩 。螺 栓 断 裂 位 置 为 离 螺 纹 收 尾 处 约2扣 螺 纹 处,此处有一定程度的应力集中[8]。在实际装配过 程中,由于结构限制,在一些边角处用常规工具难以 保证制孔质量[9],应定制开发新型制孔及安装工具, 以保证螺栓的正确装配。 3 结论及建议 (1)该螺 栓 断 裂 形 式 为 过 载。螺 栓 无 冶 金 缺 陷,力学性能符合技术要求;在安装过程中,存在螺 栓与安装孔不同轴现象,使螺栓受额外弯曲应力,导 致螺栓轴向承载能力下降。 (2)对结构受限而导致安装孔难加工及紧固件 难安装的问题,应开发新型制孔工具和安装工具,以 提升紧固件的安装质量。
文章来源：材料与测试网