摘 要:某 TB8鈦合金高鎖螺栓在裝配過程中發(fā)生斷裂,采用宏觀觀察、斷口分析、金相檢驗、 力學性能測試等方法對其斷裂原因進行分析,結果表明:在安裝過程中,螺栓與安裝孔不同軸,使螺 栓受額外彎曲應力,在外加彎曲應力和軸向載荷的共同作用下,螺栓發(fā)生過載斷裂。為了進一步 驗證螺栓與安裝孔不同軸對螺栓破壞拉力的影響,設計了在螺栓頭下放置不同斜度墊片的拉伸試 驗方案,得出隨著斜度的增加,螺栓破壞拉力逐漸降低。

關鍵詞:高鎖螺栓;斷裂;過載;力學性能

中圖分類號:TG115.5 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2022)10-0067-04

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或發(fā)動機結構件等[3]。 隨著航空技術的發(fā)展,對現(xiàn)代飛機的緊固件連接提 出了小質量、高強度、長壽命、易安裝等要求,鈦合金 高鎖螺栓具有高強度、小質量、可控預載荷、高疲勞 壽命等特點,在航空工業(yè)中得到了廣泛應用[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方法 對該高鎖螺栓的斷裂原因進行了分析。

1 理化檢驗

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 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;整個斷面均呈韌 窩形貌。

1.3 金相檢驗

在斷裂螺栓頭下圓角和螺紋處取樣,在光學顯 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0.08mm,顯 微組織符合技術要求。

1.4 力學性能測試

對同批次未用螺栓進行破壞拉力、雙剪應力及 疲 勞性能試驗,結果如表1所示。未用螺栓破壞拉力、雙剪應力及疲勞性能試驗結果均大于標準要求, 且數(shù)據(jù)一致性較好。

對與斷裂螺栓配套安裝的高鎖螺母進行了擰斷 力矩、鎖緊力矩、預緊力試驗,結果如表2所示,數(shù)據(jù) 均滿足產(chǎn)品標準要求。

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 身強度。高鎖螺栓和高鎖螺母裝配方式如圖 4 所示。在安裝時,固定螺栓、旋轉螺母,當斷徑槽被擰 斷時,螺母達到最大安裝力矩,同時螺栓所受預緊力 也達到最大值。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。 為了進一步驗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)進行 拉伸試驗。試驗方案如表3所示。

試驗方法依據(jù) GJB715.23A—2008 《緊固件試 驗方法 拉伸強度》,拉力與斜度的關系如圖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,當斜度增加至6°時,螺栓破壞拉力均小于標準 值,其中1件螺栓的破壞拉力已經(jīng)接近螺母預緊力 下限;當斜度增至8°時,除破壞拉力小于標準值外, 其中1件螺栓的破壞拉力甚至小于螺母最小預緊力 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 擰緊力矩逐漸增大到預緊力,且超出螺栓所承受的 最大載荷時,與結構鋼、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],當高強度螺 栓受拉力時,螺紋可以看作缺口,因此在螺紋根部會 產(chǎn)生高應力集中[7],造成螺紋處最大受力部位斷裂, 而此時扭矩還未達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力集中[8]。在實際裝配過 程中,由于結構限制,在一些邊角處用常規(guī)工具難以 保證制孔質量[9],應定制開發(fā)新型制孔及安裝工具, 以保證螺栓的正確裝配。

3 結論及建議

(1)該螺 栓 斷 裂 形 式 為 過 載。螺 栓 無 冶 金 缺 陷,力學性能符合技術要求;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力,導 致螺栓軸向承載能力下降。

(2)對結構受限而導致安裝孔難加工及緊固件 難安裝的問題,應開發(fā)新型制孔工具和安裝工具,以 提升緊固件的安裝質量。

參考文獻:

[1] 趙文龍,辛選榮,謝田.TB8鈦合金形變時效強化分析 [J].熱加工工藝,2016,45(2):243-245.

[2] 唐輝.TB8鈦合金螺栓斷裂分析[J].有色金屬工程, 2017,7(3):19-23,29.

[3] 胡隆偉,葉文君.緊固件材料手冊[M].北京:中國宇 航出版社,2014.

[4] 姜杰鳳,董輝躍,柯映林.高鎖螺栓干涉連接中極限干 涉量[J].機械工程學報,2013,49(3):145-152.

[5] 何軍,王浩宇,王大為,等.鈦合金高鎖螺栓斷裂原因 分析[J].理化檢驗(物理分冊),2020,56(8):66-69.

[6] 龐小超,白明遠.鈦合金螺栓斷裂原因分析[J].失效 分析與預防,2011,6(3):182-185,198.

[7] 房奇,陳濤,王偉.高強螺栓疲勞性能研究現(xiàn)狀[J].結 構工程師,2020,36(4):218-225.

[8] 董新權,楊冬梅.新能源客車電容支架安裝螺栓的斷 裂原因分析[J].理化檢驗(物理分冊),2017,53(3): 214-216,224.

[9] 趙謀周,劉存,李健.某型機機翼裝配中高強度鈦合金 螺栓 斷 裂 分 析 與 試 驗 研 究 [J].機 械 研 究 與 應 用, 2017,30(1):77-79,82.

<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:67-70)>