摘 要:7075-T73鋁合金高鎖螺母在裝配時(shí)發(fā)生縱向斷裂。通過(guò)宏觀觀察、掃描電鏡分析、能 譜分析以及金相檢驗(yàn)等方法,結(jié)合生產(chǎn)工藝和零件復(fù)查結(jié)果,對(duì)高鎖螺母的斷裂原因進(jìn)行了分析。 結(jié)果表明:原材料中存在氧化鋁夾雜,在裝配應(yīng)力作用下裂紋起源于氧化鋁夾雜處,并沿厚度方向 擴(kuò)展,最終導(dǎo)致高鎖螺母斷裂。建議增加原材料缺陷檢查工序以及嚴(yán)格執(zhí)行無(wú)損檢測(cè)工藝,避免此 類故障再次發(fā)生。

關(guān)鍵詞:7075-T73鋁合金;高鎖螺母;斷裂;裝配;氧化鋁夾雜;無(wú)損檢測(cè)

中圖分類號(hào):TS912+.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):1001-4012(2020)07-0030-05

7075鋁合金是最早用于航空工業(yè)且至今仍被 廣泛使用的一種超高強(qiáng)度鋁合金。該類合金屬于 Al-Zn-Mg-Cu系的可熱處理合金,以鋅為主要合金 元素,因鋅元素在鋁合金中有較高的固溶度,使得鋁 合金經(jīng)固溶時(shí)效后可獲得較高的強(qiáng)度。7075鋁合 金常用的熱處理狀態(tài)有 T6,T73,T76和 T74,與 T6 工藝比較,T73作為一種過(guò)時(shí)效熱處理工藝,可使經(jīng) 過(guò)時(shí)效后的合金具有較高的斷裂韌度和優(yōu)良的耐應(yīng) 力腐蝕及耐剝落腐蝕性能,可滿足航空制造的要求, 因此 T73狀態(tài)7075鋁合金被廣泛用于制造對(duì)強(qiáng)度 和耐腐蝕性能要求較高的零件,如飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的重 要承力件(翼梁、隔框、長(zhǎng)鎖螺母、高鎖螺母)等[1-2]。

某批 7075-T73 鋁合金高鎖螺母在裝配時(shí),共 計(jì)3521件中有5件發(fā)生斷裂,且斷裂形式一致,其 裝配示意圖如圖1所示。正常裝配時(shí),螺母六方扳 擰面在螺母體擰緊且達(dá)到安裝力矩時(shí)會(huì)在斷頸槽處 自動(dòng)斷裂并脫落,此時(shí)螺母承載面與螺栓頭下承載 面夾緊且達(dá)到預(yù)緊力,完成裝配。該批斷裂事故發(fā) 生在高鎖螺母裝配時(shí),六方扳擰面尚未擰斷,螺母體 即發(fā)生了沿縱向的斷裂,且六方扳擰面出現(xiàn)肉眼可 見(jiàn)的縱向裂紋,如圖2所示。

該零 件 由 根 據(jù) 美 標(biāo) SAE AMS-QQ-A-225-9A: 2014Aluminum Alloy7075,Bar,Rod,Wire,and SpecialShapes;Rolled,Drawn,orCold Finished 采購(gòu)的7075棒料加工而成,狀態(tài)為 T73,無(wú)需熱處 理。其主要工藝流程為:車銑→分光檢測(cè)→收口→挑 選→清洗→熒光檢測(cè)→清洗→陽(yáng)極化→涂十六醇→ 挑選→終檢,其中有色陽(yáng)極化會(huì)使零件表面呈均勻的綠色;根據(jù)螺母技術(shù)規(guī)范的要求,經(jīng)抽樣進(jìn)行力學(xué)性 能測(cè)試(預(yù)緊力、擰緊力矩、鎖緊力矩、松脫力矩、抗 拉強(qiáng)度)、金相檢驗(yàn)(晶間腐蝕、微觀組織)、不連續(xù)性 試驗(yàn)(熒光探傷)等檢驗(yàn)合格后交付裝配使用。

為找到高鎖螺母斷裂的原因,消除質(zhì)量隱患,筆 者對(duì)斷裂件進(jìn)行了理化檢驗(yàn)和分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

在體視顯微鏡下觀察斷裂高鎖螺母的宏觀形 貌,如圖3所示。可見(jiàn)螺母體完全沿縱向斷裂,斷口 平整,無(wú)明顯起伏和塑性變形,斷口無(wú)肉眼可見(jiàn)的缺 陷和疲勞弧線,斷口整體沿流線方向呈氧化色,未觀 察到表面綠色陽(yáng)極化層滲入的情況,如圖3a)所示; 六方扳擰面上可見(jiàn)縱向貫穿性裂紋,未完全斷開(kāi),如 圖3b)所示。

1.2 掃描電鏡分析

將螺母斷口經(jīng)酒精+超聲波清洗后,在掃描電 鏡(SEM)下觀察圖3a)中左側(cè)斷口,低倍下SEM 形 貌如圖4所示。可見(jiàn)局部新鮮有金屬光澤,沿流線 呈氧化色,未見(jiàn)明顯綠色陽(yáng)極化層滲入。放大觀察 發(fā)現(xiàn)在螺母體的內(nèi)表面、心部和外表面斷口大部分位置存在導(dǎo)電性較弱的白色物質(zhì),呈龜裂形貌,其余 為韌窩形貌,如圖5所示。

1.3 金相檢驗(yàn)

以軸向橫截面為觀察面,在斷裂螺母上取金相 試樣并進(jìn)行鑲嵌,按照 GB/T3246.1-2012《變形鋁 及鋁合金制品組織檢驗(yàn)方法 第1部分:顯微組織檢 驗(yàn)方 法 》的 技 術(shù) 要 求,使 用 混 合 酸 (HF,HCl, HNO3,H2O 的加入量分別為1,1.5,2.5,95mL)浸 蝕15s后在光學(xué)顯微鏡下觀察,其顯微組織形貌如 圖6所示。可見(jiàn)斷口的次外表面存在不規(guī)則的黑色 夾雜物,參考 GB/T10561-2005《鋼中非金屬夾雜 物含量的測(cè)定 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》的評(píng)定方法對(duì)夾雜物等級(jí)進(jìn)行評(píng)定,結(jié)果大于 B3e,超出該標(biāo)準(zhǔn) 要求的范圍。

同樣以軸向橫截面為觀察面,制備開(kāi)裂六方扳 擰面金相試樣,經(jīng)混合酸浸蝕15s后在光學(xué)顯微鏡 下觀察,可見(jiàn)裂紋附近存在貫穿橫截面的長(zhǎng)條形黑 色夾雜物,放大后呈典型的鏈狀不連續(xù)形貌,如圖7 所示。對(duì)黑色夾雜物進(jìn)行評(píng)級(jí),結(jié)果同樣大于 B3e, 超出 GB/T10561-2005要求的范圍。此外,試樣 上除主裂紋外,均未見(jiàn)由表面向內(nèi)部沿晶界擴(kuò)展的 二次裂紋;組織正常,未見(jiàn)過(guò)燒形貌。

另取一個(gè)裝配未斷裂件和一個(gè)斷裂件的六方扳 擰面,按 GB/T 7998-2005《鋁合金晶間腐蝕測(cè)定 方法》,用溶液(NaCl,H2O2 和蒸餾水(或去離子水)的加入量分別為57g,10mL,1L)浸蝕6h后磨制金 相試樣,觀察其顯微組織,可知均無(wú)晶間腐蝕現(xiàn)象。

1.4 能譜分析

使用掃描電鏡附帶的能譜儀對(duì)螺母斷口進(jìn)行能 譜(EDS)分析,分析位置如圖5所示,分析結(jié)果如表1 所示。可知正常區(qū)域主要含有鋅、鎂和銅元素,為正 常的7系列鋁合金;龜裂區(qū)域以及白色物質(zhì)則含有較高含量的氧元素以及少量的鉀、鈉、硫和氯元素。

對(duì)六方扳擰面金相試樣的正常位置和黑色夾雜 物分別進(jìn)行能譜分析,分析位置及結(jié)果如圖8所示, 可知黑色夾雜物元素含量及種類與龜裂區(qū)域的基本 一致,均有 較 高 含 量 的 氧 元 素 及 少 量 的 鉀 和 氯 等 元素。

1.5 庫(kù)存件復(fù)查

對(duì)供貨廠家的庫(kù)存件進(jìn)行100%熒光滲透檢測(cè), 發(fā)現(xiàn)部分零件有夾雜物缺陷,缺陷沿軸向呈線性貫穿 高鎖螺母,如圖9所示。帶缺陷的高鎖螺母經(jīng)裝配 后,在螺母體縱向斷裂,如圖10所示。金相檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn) 其微觀形貌與上述斷裂件的一致,如圖11所示。而 無(wú)缺陷顯示正常件的安裝斷裂形式為斷頸槽處自動(dòng) 斷裂并脫落,是正常的安裝斷裂,如圖12所示。

2 分析與討論

常見(jiàn)鋁合金的斷裂模式包括疲勞斷裂、大應(yīng)力 過(guò)載斷裂、應(yīng)力腐蝕斷裂等[3-8],不同的斷裂模式有 對(duì)應(yīng)的斷裂特征。 通過(guò)對(duì)高鎖螺母的宏觀觀察發(fā)現(xiàn)斷口局部新鮮 有金屬光澤,主要沿流線呈氧化色。斷裂件斷口的 微觀組織中未見(jiàn)沿晶開(kāi)裂形貌,且是在裝配過(guò)程中 發(fā)生的斷裂,可排除零件過(guò)燒導(dǎo)致強(qiáng)度等力學(xué)性能降低的因素,也可排除疲勞斷 裂 的 可 能 性。7075- T73鋁合金強(qiáng)度高,有較高的應(yīng)力腐蝕敏感性。鋁 合金產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂是拉應(yīng)力和腐蝕性環(huán)境共同 作用的,開(kāi)裂通常會(huì)在使用一定時(shí)間后才會(huì)產(chǎn)生[9]。 由于高鎖螺母的安裝環(huán)境沒(méi)有腐蝕性介質(zhì),結(jié)合金 相檢驗(yàn)的結(jié)果也可以排除應(yīng)力腐蝕導(dǎo)致高鎖螺母斷 裂的可能性。

分析正常高鎖螺母裝配時(shí)的受力情況,可知零 件正常裝配過(guò)程中是在螺母斷頸槽處斷裂,六方扳 擰面部分脫落,且螺母體與其相配合的螺栓緊固在 被安裝位置。而斷裂螺母是在斷頸槽未擰斷的情況 下發(fā)生縱向斷裂,且在六方扳擰面上看到貫穿性裂 紋,同時(shí)根據(jù)庫(kù)存件的復(fù)查結(jié)果,可知部分零件有缺 陷熒光顯示,安裝時(shí)發(fā)生非正常縱向斷裂,且缺陷顯 示件與裝配斷裂件的斷裂模式及微觀形貌一致。因 此判斷該斷裂非安裝人員操作不當(dāng)造成。

SEM 分析發(fā)現(xiàn)螺母體斷口的內(nèi)、外表面及心部 位置均存在白色不導(dǎo)電物質(zhì),呈龜裂形貌,在金相檢 驗(yàn)中觀察到裂紋附近有黑色夾雜物,對(duì)零件斷裂面 的龜裂形貌和金相試樣中的黑色夾雜物進(jìn)行能譜分 析,分析結(jié)果一致,均為鋁合金氧化物。鋁合金氧化 物夾雜破壞了材料的連續(xù)性,在外載荷作用下,降低 了材料的力學(xué)性能,而材料抵抗變形能力的差異會(huì)在兩相界面處產(chǎn)生應(yīng)力集中,發(fā)展成為裂紋源,導(dǎo)致 在正常裝配過(guò)程中發(fā)生過(guò)載開(kāi)裂。斷裂面未發(fā)現(xiàn)有 綠色陽(yáng)極化層滲入,說(shuō)明高鎖螺母的裂紋是在陽(yáng)極 化之后產(chǎn)生的。

根據(jù)文獻(xiàn)[10]可知,鋁合金熔體中常見(jiàn)的固態(tài) 夾雜物主要是非金屬物,包括氧化物、碳化物、氮化 物、硼 化 物 等。 其 中 常 見(jiàn) 的 氧 化 物 為 Al2O3 和 MgO,常見(jiàn)的氮化物為 AlN,常見(jiàn)的硼化物為 TiB2 和 AlB2,常見(jiàn)的碳化物為 Al4C3,根據(jù)它們的生成 熱可知 Al2O3 夾雜是最容易形成的[10]。根據(jù)能譜 分析結(jié)果可知斷裂高鎖螺母夾雜物的成分主要是氧 元素,由此可判斷該夾雜物為 Al2O3。金屬鑄件凝 固時(shí)夾雜物會(huì)在鑄件最后的凝固部位聚集,在棒料 切尾不足的情況下經(jīng)后續(xù)拉拔會(huì)沿拉拔方向呈片狀 殘留在棒料尾部,如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn),就易導(dǎo)致后續(xù) 使用過(guò)程中零件失效。

通常對(duì)鋁合金的缺陷檢驗(yàn)方法有低倍檢驗(yàn)和超 聲波檢驗(yàn)等,這些方法都可以有效檢測(cè)出鋁合金中 的夾雜物缺陷。高鎖螺母產(chǎn)品出廠無(wú)損檢測(cè)的熒光 滲透方法也是有效檢驗(yàn)表面裂紋缺陷的手段。但上 述故障產(chǎn)品已流通到使用方,并對(duì)使用方整體產(chǎn)品 的質(zhì)量造成了影響。

據(jù)進(jìn)一步了解,判斷可能存在因該批產(chǎn)品數(shù)量 多,在出廠前的熒光滲透無(wú)損檢測(cè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)了漏檢 情況。

3 結(jié)論及建議

高鎖螺母裝配斷裂原因?yàn)樵牧现写嬖谘趸X 夾雜,在后續(xù)拉拔過(guò)程中沿拉拔方向呈片狀分布,破 壞了原材料的連續(xù)性,在外載荷的作用下,會(huì)在兩相 界面處產(chǎn)生應(yīng)力集中,形成裂紋源,導(dǎo)致產(chǎn)品在安裝 時(shí)發(fā)生斷裂,與產(chǎn)品制造工藝無(wú)關(guān)。 建議對(duì)原 材 料 棒 料 進(jìn) 行 超 聲 波 檢 驗(yàn),以 便 識(shí) 別出夾雜物缺陷。同時(shí)嚴(yán)格按照熒光滲透方法進(jìn) 行出廠無(wú) 損 檢 測(cè)。必 要 時(shí),標(biāo) 準(zhǔn) 件 制 造 廠 家 可 在 生產(chǎn)制造及產(chǎn)品檢驗(yàn)中增加適當(dāng)?shù)谋O(jiān)控手段和措 施,嚴(yán)格保證檢驗(yàn)質(zhì)量,確保產(chǎn)品不會(huì)因各種原因 發(fā)生漏檢。

參考文獻(xiàn):

[1] 方華嬋,陳康華,巢宏,等.Al-Zn-Mg-Cu系超強(qiáng)鋁合 金的研究現(xiàn)狀與展望[J].粉末冶金材料科學(xué)與工程, 2009,14(6):351-358.

[2] 劉兵,彭超群,王日初,等.大飛機(jī)用鋁合金的研究現(xiàn) 狀及展望[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào),2010,20(9):1705- 1715.

[3] 李寧.淺談金屬材料的防腐能力改進(jìn)措施[J].世界有 色金屬,2016(12):233-234.

[4] 張?jiān)士?許曉靜,羅勇,等.7075鋁合金強(qiáng)化固溶 T76 處理后的拉伸與剝落腐蝕性能[J].稀有金屬材料與 工程,2012,41(z2):612-615.

[5] 胡桂云,陳康華,陳送義,等.軌道交通用7003鋁合金 型材失效行為分析[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2018,49(4):802-808.

[6] 張博,侯學(xué)勤.冷卻風(fēng)扇葉片斷裂分析[J].失效分析 與預(yù)防,2016,11(2):100-104.

[7] 潘占.7050鋁合金端框接頭斷裂原因分析[J].理化 檢驗(yàn)(物理分冊(cè)),2019,55(7):498-500.

[8] 邵百明.變速箱懸置支架開(kāi)裂失效分析[J].理化檢驗(yàn) (物理分冊(cè)),2019,55(11):795-799.

[9] 劉繼華,李荻,郭寶蘭.7xxx系列 Al合金應(yīng)力腐蝕開(kāi) 裂的研 究 [J].腐 蝕 科 學(xué) 與 防 護(hù) 技 術(shù),2001,13(4): 218-222.

[10] 屈苗,劉宇,肖政兵.鋁合金夾雜物基本性質(zhì)的第一性 原理研究[J].有 色 金 屬 科 學(xué) 與 工 程,2018,9(6):1- 10.

<文章來(lái)源>材料與測(cè)試網(wǎng)>期刊論文>理化檢驗(yàn)－物理分冊(cè)>56卷>7期(pp:30-34)>