摘 要:7075-T73鋁合金高鎖螺母在裝配時發(fā)生縱向斷裂。通過宏觀觀察、掃描電鏡分析、能 譜分析以及金相檢驗等方法,結(jié)合生產(chǎn)工藝和零件復(fù)查結(jié)果,對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)行無損檢測工藝,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;無損檢測
中圖分類號:TS912+.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號: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作為一種過時效熱處理工藝,可使經(jīng) 過時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,共 計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,螺母六方扳 擰面在螺母體擰緊且達(dá)到安裝力矩時會在斷頸槽處 自動斷裂并脫落,此時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,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 采購的7075棒料加工而成,狀態(tài)為 T73,無需熱處 理。其主要工藝流程為:車銑→分光檢測→收口→挑 選→清洗→熒光檢測→清洗→陽極化→涂十六醇→ 挑選→終檢,其中有色陽極化會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(晶間腐蝕、微觀組織)、不連續(xù)性 試驗(熒光探傷)等檢驗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 者對斷裂件進(jìn)行了理化檢驗和分析。
1 理化檢驗
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。可見螺母體完全沿縱向斷裂,斷口 平整,無明顯起伏和塑性變形,斷口無肉眼可見的缺 陷和疲勞弧線,斷口整體沿流線方向呈氧化色,未觀 察到表面綠色陽極化層滲入的情況,如圖3a)所示; 六方扳擰面上可見縱向貫穿性裂紋,未完全斷開,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?？梢娋植啃迈r有金屬光澤,沿流線 呈氧化色,未見明顯綠色陽極化層滲入。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
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方法 第1部分:顯微組織檢 驗方 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?？梢姅嗫诘拇瓮獗砻娲嬖诓灰?guī)則的黑色 夾雜物,參考 GB/T10561-2005《鋼中非金屬夾雜 物含量的測定 標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗法》的評定方法對夾雜物等級進(jìn)行評定,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,可見裂紋附近存在貫穿橫截面的長條形黑 色夾雜物,放大后呈典型的鏈狀不連續(xù)形貌,如圖7 所示。對黑色夾雜物進(jìn)行評級,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,均未見由表面向內(nèi)部沿晶界擴(kuò)展的 二次裂紋;組織正常,未見過燒形貌。
另取一個裝配未斷裂件和一個斷裂件的六方扳 擰面,按 GB/T 7998-2005《鋁合金晶間腐蝕測定 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?？芍^(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 庫存件復(fù)查
對供貨廠家的庫存件進(jìn)行100%熒光滲透檢測, 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 無缺陷顯示正常件的安裝斷裂形式為斷頸槽處自動 斷裂并脫落,是正常的安裝斷裂,如圖12所示。
2 分析與討論
常見鋁合金的斷裂模式包括疲勞斷裂、大應(yīng)力 過載斷裂、應(yīng)力腐蝕斷裂等[3-8],不同的斷裂模式有 對應(yīng)的斷裂特征。 通過對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 微觀組織中未見沿晶開裂形貌,且是在裝配過程中 發(fā)生的斷裂,可排除零件過燒導(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)力腐蝕開裂是拉應(yīng)力和腐蝕性環(huán)境共同 作用的,開裂通常會在使用一定時間后才會產(chǎn)生[9]。 由于高鎖螺母的安裝環(huán)境沒有腐蝕性介質(zhì),結(jié)合金 相檢驗的結(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的受力情況,可知零 件正常裝配過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,同時根據(jù)庫存件的復(fù)查結(jié)果,可知部分零件有缺 陷熒光顯示,安裝時發(fā)生非正?？v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 驗中觀察到裂紋附近有黑色夾雜物,對零件斷裂面 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 在正常裝配過程中發(fā)生過載開裂。斷裂面未發(fā)現(xiàn)有 綠色陽極化層滲入,說明高鎖螺母的裂紋是在陽極 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 的 氧 化 物 為 Al2O3 和 MgO,常見的氮化物為 AlN,常見的硼化物為 TiB2 和 AlB2,常見的碳化物為 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 固時夾雜物會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)拉拔會沿拉拔方向呈片狀 殘留在棒料尾部,如果不能及時發(fā)現(xiàn),就易導(dǎo)致后續(xù) 使用過程中零件失效。
通常對鋁合金的缺陷檢驗方法有低倍檢驗和超 聲波檢驗等,這些方法都可以有效檢測出鋁合金中 的夾雜物缺陷。高鎖螺母產(chǎn)品出廠無損檢測的熒光 滲透方法也是有效檢驗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損檢測環(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為原材料中存在氧化鋁 夾雜,在后續(xù)拉拔過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 時發(fā)生斷裂,與產(chǎn)品制造工藝無關(guān)。 建議對原 材 料 棒 料 進(jìn) 行 超 聲 波 檢 驗,以 便 識 別出夾雜物缺陷。同時嚴(yán)格按照熒光滲透方法進(jìn) 行出廠無 損 檢 測。必 要 時,標(biāo) 準(zhǔn) 件 制 造 廠 家 可 在 生產(chǎn)制造及產(chǎn)品檢驗中增加適當(dāng)?shù)谋O(jiān)控手段和措 施,嚴(yán)格保證檢驗質(zhì)量,確保產(chǎn)品不會因各種原因 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].中國有色金屬學(xué)報,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] 張允康,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(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(物理分冊),2019,55(7):498-500.
[8] 邵百明.變速箱懸置支架開裂失效分析[J].理化檢驗 (物理分冊),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 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.
<文章來源>材料與測試網(wǎng)>期刊論文>理化檢驗－物理分冊>56卷>7期(pp:30-34)>