断螺栓螺杆取出器(分享：TC4钛合金高锁螺栓发生异常双剪断裂原因)

Posted 2023-05-28

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断螺栓螺杆取出器(分享：TC4钛合金高锁螺栓发生异常双剪断裂原因)

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 Ti6Al-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.

<文章来源 >材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 58卷 > 3期 (pp:66-69)>