摘 要:某0Cr16Ni6熱軋退火鋼螺紋定位銷在服役過程中其變截面過渡區(qū)小端發(fā)生斷裂。對該螺紋 定位銷進(jìn)行了宏觀觀察、掃描電鏡分析、化學(xué)成分分析、硬度測試等綜合分析,并結(jié)合開展了疲勞試驗、扭 轉(zhuǎn)試驗、熱曝露試驗、磁粉檢測、仿真模擬等相關(guān)試驗,分析和驗證了螺紋定位銷的斷裂過程及原因。結(jié) 果表明:可以排除材料本身缺陷及機(jī)械加工原始缺陷的可能性;螺紋定位銷的裝配過程操作不當(dāng)造成零 件表面劃傷,在劃傷部位產(chǎn)生應(yīng)力集中,使螺紋定位銷的疲勞強(qiáng)度降低,最終導(dǎo)致疲勞斷裂。

關(guān)鍵詞:熱軋退火鋼;螺紋定位銷;疲勞斷裂;仿真模擬

中圖分類號:TG115.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號:1001-4012(2022)10-0050-04

螺紋定位銷用于鎖緊和固定飛機(jī)某動力結(jié)構(gòu)的 主承力銷,起到防止因主承力銷造成飛行事故的作 用。該螺紋定位銷由0Cr16Ni6熱軋退火鋼棒材加工 而成,主要加工工序為:車削-磨削-熱處理-滾絲-磁粉 檢測。某0Cr16Ni6熱軋退火鋼螺紋定位銷在服役過 程中發(fā)生斷裂,筆者對該螺紋定位銷的結(jié)構(gòu)、材料、斷 口形貌及裝配機(jī)理等方面進(jìn)行分析,復(fù)現(xiàn)了斷裂現(xiàn) 場,分析和驗證了螺紋定位銷的斷裂過程及原因。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

螺紋定位銷的結(jié)構(gòu)分為頭部、定位光桿部分、變 截面部分及螺紋部分。其中光桿部位加工工藝為磨 削,變截面部位加工工藝為車削,螺紋部位加工工藝 為滾絲。螺紋規(guī)格為 M6-e6,定位光桿直徑為8mm, 公差等級為f7,中間采用34°變截面連接。在完成所 有加工工序后對其進(jìn)行磁粉檢測,對檢測合格的螺紋 定位銷進(jìn)行鍍銅處理。螺紋定位銷的斷裂處為變截 面過渡區(qū)小端。

斷裂螺紋定位銷整體及其斷口的宏觀形貌如圖 1所示。斷口位于變截面過渡區(qū)靠近小端處,垂直 于軸線,未見明顯塑性變形,可見疲勞弧線特征,疲 勞由表面線性起源,疲勞源區(qū)整體比較平整,源區(qū)未 見冶金缺陷和機(jī)械加工痕跡。穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)的斷面平 坦細(xì)密,疲勞裂紋擴(kuò)展較充分,可見該螺紋定位銷的 工作載荷并不大,但起源特征表明裂紋萌生應(yīng)力較 大[1-4]。分析其斷裂過程為由表面向心部擴(kuò)展。心部局部光亮,這是由斷裂后斷面彼此摩擦導(dǎo)致的。

斷口外側(cè)存在一個與軸向約呈一定夾角的下凹 環(huán)形斜面,環(huán)形斜面呈棕紅色,這是因為表面鍍銅脫 落后落入凹環(huán)形面,與斷面摩擦,從而黏附在環(huán)形斷 面處。

觀察螺紋定位銷光桿部位及變截面部位,發(fā)現(xiàn) 銅鍍層發(fā)生環(huán)狀脫落,存在目視可見的環(huán)形凹痕,初 步分析應(yīng)為裝配過程或者使用過程中造成的損傷。

1.2 化學(xué)成分分析

將斷裂的螺紋定位銷沿軸線方向剖開并取樣,采用直讀光譜儀分析其化學(xué)成分,結(jié)果如表1所示。 由表1可知:該螺紋定位銷的化學(xué)成分均符合技術(shù) 要求。

1.3 掃描電鏡分析

采用超 聲 波 清 洗 螺 紋 定 位 銷 后,在 掃 描 電 鏡 (SEM)下對斷 口 環(huán) 形 面 進(jìn) 行 觀 察,未 見 明 顯 的 夾 雜、疏松和氣孔等缺陷,環(huán)形面大部分區(qū)域均可見約 呈45°的犁痕,犁痕方向有一定規(guī)律性[見圖2a)]。 同時選取一件未斷裂的螺紋定位銷,對螺紋滾壓區(qū) [見圖2b)]和車削區(qū)[見圖2c)])進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)也 存在方向性較強(qiáng)的犁痕,形貌特征符合相關(guān)機(jī)械加 工特征[5]。

2 對比試驗與仿真模擬

2.1 疲勞試驗

選取一個與斷裂螺紋定位銷同規(guī)格的未斷裂螺 紋定位銷(試樣1)進(jìn)行疲勞試驗,查找正常疲勞斷裂 位置,并分析其斷面形貌。發(fā)現(xiàn)該定位銷斷裂于第一 個螺紋根部,而不是變截面過渡區(qū)。螺栓的斷裂最常 發(fā)生在頭部與螺桿交接處,以及螺紋與螺桿交接處的 不完全螺紋(靠近螺母的第一個螺紋)部位,尤其以斷 裂于第一個螺紋處最為普遍,因為該位置承受載荷最 大,應(yīng)力也最大[6-7]。經(jīng)過對比,試樣1的斷口形貌及 斷裂位置與斷裂螺紋定位銷完全不同。試樣1的斷 裂位置及斷口的宏觀形貌如圖3所示。

2.2 扭轉(zhuǎn)試驗

另選取一個與斷裂螺紋定位銷同規(guī)格的未斷裂 螺紋定位銷(試樣2)進(jìn)行扭轉(zhuǎn)試驗,用于模擬異常 使用情況。模擬使用環(huán)境,對試樣2進(jìn)行非正常的 大應(yīng)力扭轉(zhuǎn)和切應(yīng)力疲勞載荷試驗。試樣2斷裂于第一個螺紋根部,而不是變截面過渡區(qū)。試樣2的 斷裂位置及斷口的宏觀形貌如圖4所示。

2.3 熱曝露試驗

斷裂螺紋定位銷的斷口環(huán)形面含銅元素,為了 驗證銅元素是否存在熱遷移,根據(jù)其使用環(huán)境、鍍銅 時間及工作時間,開展熱曝露試驗。將試樣1放入 120 ℃的烘箱中14d,檢查其斷口,結(jié)果未發(fā)現(xiàn)銅 層,可以排除銅元素?zé)徇w移的可能性。

2.4 模擬缺陷試樣的磁粉檢測及疲勞試驗

因不能排除交付前存在機(jī)械加工缺陷的可能性, 制作模擬缺陷試樣,并對試樣開展磁粉檢測及疲勞試驗。按斷裂螺紋定位銷的尺寸制作 3 組對比試樣 (未滾壓螺紋),在原有斷裂區(qū)域預(yù)制7個不同尺寸的 刻槽(見圖5),具體尺寸(寬×深)分別為:第一組為 0.1mm×0.3 mm,0.1 mm×0.5 mm;第 二 組 為 0.3mm×0.1mm,0.3mm×0.3mm,0.3mm×0.5mm; 第三組為0.5mm×0.1mm,0.5mm×0.3mm。

經(jīng)過磁粉檢測,僅第一組刻槽試樣可檢出缺陷。 刻槽的深寬比越大,漏磁場也越強(qiáng),更易于發(fā)現(xiàn)缺 陷;如果刻槽寬度過大則無法檢測出來,但是對于裂 紋尺寸過大等情況,肉眼是可見的,交付時就能發(fā) 現(xiàn)。這就排除了交付時漏檢的可能性。

對模擬缺陷試樣開展疲勞試驗,雖然試樣斷裂 在刻槽部位,但是斷口形貌與斷裂的螺紋定位銷形 貌不同。對此,經(jīng)過模擬缺陷試驗驗證,排除了機(jī)械 加工缺陷的可能性。

2.5 仿真模擬

將螺紋定位銷的三維模型導(dǎo)入到有限元分析軟 件 ABAQUS中,根據(jù)定位銷的實際服役情況和斷 裂位置,對其螺紋(除第一圈螺紋外)施加全固定,對定位銷施加拉力和扭力載荷,可見定位銷的應(yīng)力集 中位置有兩處,一處為螺紋收尾處,一處為變截面過 渡區(qū),模擬試驗證明了螺紋定位銷斷裂的原因可能 與變截面過渡區(qū)的異常應(yīng)力集中相關(guān),螺紋定位銷 的應(yīng)力分布云圖如圖6所示。

3 裝配過程分析

觀察斷裂的螺紋定位銷,發(fā)現(xiàn)其光桿部位下端 存在6條目視可見的環(huán)形凹痕,變截面部位同樣存 在3條目視可見的環(huán)形凹痕,且凹痕部位表面鍍銅 層已脫落,目視可見凹陷深度。分析其安裝部位,該 部位整體為通孔結(jié)構(gòu)。裝配時需要使用螺紋定位銷 及下側(cè)的弧形螺紋塊將基體件、空心軸套固定起來。

觀察斷裂螺紋定位銷的外觀,并結(jié)合裝配過程 對其進(jìn)行分析,安裝時可能存在螺紋推力銷軸線與 空心軸套定位孔軸線不同軸的情況(見圖7)。當(dāng)空 心軸套定位孔軸線與螺紋推力銷的軸線發(fā)生1.7°偏 差時,螺紋定位銷的孔邊與定位銷變截面下端干涉。 隨著螺紋定位銷的不斷擰緊,空心軸套受到螺紋定位銷變截面的限制,并隨著變截面錐度被動發(fā)生旋 轉(zhuǎn),當(dāng)彼此軸線發(fā)生0.5°偏差時,空心軸套定位孔 邊與螺紋定位變截面上端干涉。隨著進(jìn)一步擰緊定 位銷,空心軸套定位孔邊不斷刮擦螺紋定位銷圓柱 面,導(dǎo)致螺紋定位銷表面產(chǎn)生凹痕。凹痕處為應(yīng)力 集中區(qū)域,易使定位銷發(fā)生疲勞斷裂。

4 綜合分析

通過對斷裂螺紋定位銷的斷口進(jìn)行檢查,可見 疲勞弧線和典型的疲勞條帶,可以確定該螺紋定位 銷在某種因素影響下發(fā)生了疲勞斷裂。

基于斷裂螺紋定位銷結(jié)構(gòu)及裝配過程開展分 析,其受到垂直于軸線的剪切力和沿著軸線方向的 軸向拉力。發(fā)生疲勞斷裂的原因有:材料疲勞強(qiáng)度 不足、裝配及工作應(yīng)力過大、表面缺陷(如溝槽、凹痕 及加工刀痕等)、表面有尖角等應(yīng)力集中區(qū)以及熱處 理缺陷(如氫脆)[8-11]、材料 缺 陷 (如 夾 雜、疏 松、氣 孔、微裂紋)等。

對斷裂螺紋定位銷進(jìn)行了 SEM 分析、化學(xué)成 分分析及硬度測試,排除了材料本身存在缺陷的可 能性;對斷裂螺紋定位銷開展了疲勞試驗和扭轉(zhuǎn)試 驗,排除了材料強(qiáng)度不足的可能性;對其開展仿真模 擬,發(fā)現(xiàn)定位銷的應(yīng)力集中位置有兩個部位,一處為 螺紋收尾處,一處為變截面過渡區(qū),證明了其斷裂原 因可能為變截面過渡區(qū)的異常應(yīng)力集中。對裝配過 程進(jìn)行分析并模擬裝配時的軸線偏移情況,證明了 軸線偏移可以導(dǎo)致螺紋定位銷表面產(chǎn)生環(huán)形凹痕, 凹痕處為應(yīng)力集中區(qū)域,易造成疲勞斷裂。

經(jīng)過各種檢查及相關(guān)試驗驗證,可知螺紋定位 銷的斷裂過程為:螺紋定位銷在裝配時,其軸線與空 心軸套定位孔軸線不重合,在擰緊過程中,空心軸套 定位孔邊刮擦螺紋定位銷變截面及圓柱面,導(dǎo)致螺 紋定位銷相關(guān)表面產(chǎn)生環(huán)形凹痕。環(huán)形凹痕處為應(yīng) 力敏感區(qū),定位銷在環(huán)形凹陷區(qū)域發(fā)生應(yīng)力集中,并 萌生裂紋,裂紋持續(xù)擴(kuò)展,當(dāng)裂紋區(qū)域疲勞強(qiáng)度低于 承受的工作拉力時,螺紋定位銷發(fā)生瞬間斷裂。

5 結(jié)語及建議

螺紋定位銷的斷裂屬于疲勞斷裂,造成疲勞斷 裂的主要原因是在安裝過程中螺紋定位銷軸線與空 心軸套定位孔軸線不重合,導(dǎo)致彼此刮擦產(chǎn)生凹痕, 凹痕處的應(yīng)力集中使應(yīng)力增大,當(dāng)螺紋定位銷所受 載荷超過了材料的疲勞強(qiáng)度時,裂紋會不斷擴(kuò)展直 至斷裂。建議在螺紋定位銷裝配時增加預(yù)安裝工 序:首先用專用工具將基體件、空心軸套定位孔調(diào)整 同軸,然后再安裝螺紋定位銷,杜絕裝配時刮傷螺紋 定位銷表面的情況。

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<文章來源>材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 58卷 > 10期 (pp:50-53)>