一种铝合金高锁螺母开裂问题故障分析

一种铝合金高锁螺母开裂问题故障分析

刘永强  王 超

中航西飞，陕西 西安 710089

【摘要】本文以一种铝合金高锁螺母开裂现象为切入点，分别从宏观和微观观察、金相检查、硬度测试、成分能谱对铝合金高锁螺母失效问题进行分析，发现了无法满足高盐、高湿的环境耐受性和收口变形的问题，并提出了改进设计及工艺方法，解决了一种铝合金高锁螺母开裂的问题。

关键词：铝合金高锁螺母  开裂  失效

  铝合金高锁螺母是一种常用的紧固件，经常与高锁螺栓配合使用，具有自锁、高强度、高抗疲劳性、抗振动、易于安装等诸多优点，有着广泛的应用。

1 问题概述

检查发现铝合金高锁螺母开裂，开裂螺母多集中于高温区附近的机身侧壁梁框位置。一种铝合金高锁螺母材料为7050铝合金，T3处理，表面处理：HST79CY-8（橙黄色阳极化，十六醇润滑），装配工艺为自锁螺母装配后涂密封胶。

2 理化检验

2.1  宏观分析

一种铝合金高锁螺母未安装外观完整，整体为橙黄色，锁紧段有四个对称分布的锁点。选取典型高锁合金螺母进行观察开裂螺母裂纹多位于收口锁点区，其损伤宏观形态可以分轴向多处开裂，螺母断成两块或三块，轴向一处贯穿裂纹如图1所示。螺母裂纹轴向较平直，无宏观变形，断面平整呈银灰色；螺母表面膜层颜色正常。

图1  一种铝合金高锁螺母典型开裂图

2.2  微观分析

对一种铝合金高锁螺母典型件进行裂纹断口微观观察，微观可见轴向纤维状特征，高倍呈现典型断裂形貌，晶粒表面呈现氧化腐蚀后的圆润形貌，断面局部可见腐蚀产物堆积；在部分螺纹末端、外侧边缘的局部区域可见韧窝特征。对一种铝合金高锁螺母典型件表面膜层状态进行观察，其表面膜层可见网状微裂纹，螺纹部位局部涂层因受力变形而崩落，如图2所示。

图2  一种铝合金高锁螺母开裂典型件裂纹断口微观形貌

2.3  金相检查

对一种铝合金高锁螺母开裂典型件取轴向截面制备金相试样进行加工形态、组织形态、膜层厚度对比观察，以辅助判断开裂性质和原因，并尝试对螺母进行分析。螺母内螺纹加工形态基本一致，均在螺纹牙顶两侧区域存在加工凹陷现象（该处膜层完整，无装配变形），如图3所示。

图3  一种铝合金高锁螺母开裂典型件螺纹加工形态

对一种铝合金高锁螺母开裂典型件浸蚀后观察，各螺母均为拉长变形晶粒，但晶粒形态和尺寸略有差异。

2.4  硬度测试

通过对一种铝合金高锁螺母开裂典型件轴向剖面上测试硬度结果见表1。螺母硬度水平相当，均在160HV左右。

表1  铝合金高锁螺母硬度测试结果

2.5  成分能谱分析

对一种铝合金高锁螺母开裂典型件金相试样上进行能谱半定量成分分析，结果见表2，各螺母主合金种类符合7050材料，各元素含量无明显规律。

表2  铝合金高锁螺母成分能谱分析结果wt%

3 失效分析

通过对一种铝合金高锁螺母开裂典型件进行理化检验、断口宏微观察和微区成分能谱分析，并对其组织、硬度和表面膜层进行了对比检查，主要结果如下：

1）螺母外观颜色正常，表面局部可见漆层，除拆卸损伤外未见明显异常痕迹。

2）螺母损伤形式均为轴向开裂，裂纹分布与收口锁点区；存在一条或多条宏观裂纹。

3）裂纹宏观平直，无明显塑性变形；微观为沿晶断裂，可见腐蚀形貌和腐蚀产物，断面可见Cl元素，局部存在S元素。

4）螺母表面膜层可见网状裂纹，螺纹部位局部涂层因受力变形而崩落。

5）螺母裂纹为沿晶裂纹，可见分叉扩展特征，裂纹较宽闭合性差，呈现腐蚀裂纹特点。

综上，所有一种铝合金高锁螺母开裂典型件失效形式相同，均为局部宏观脆性开裂，断口为典型沿晶破坏，并具有明显腐蚀特征和腐蚀产物，其失效原因为：

1）一种铝合金高锁螺母开裂典型件在海边服役，服役环境中存在含S、Cl的腐蚀介质。高盐、高热、高湿环境的沿海环境是其应力腐蚀开裂的一个关键因素。

2）一种铝合金高锁螺母材料为7050高强铝合金，在某些热工艺状态下对应力腐蚀相对较为敏感，其材质状态不是应力腐蚀开裂的决定性因素。

3）一种铝合金高锁螺母采用橙黄色阳极化处理，微观螺母表面膜层存在大量的网状微裂纹，这对其耐蚀性不利，更容易成为裂纹源。

4）一种铝合金高锁螺母收口与装配变形量、是否采用密封胶防护是影响其开裂的因素之一。

4 结论及建议

一种铝合金高锁螺母失效模式相同，均为沿晶的应力腐蚀开裂。高盐、高热、高湿沿海地区的使用要求是导致其应力腐蚀开裂的主要原因，收口与装配变形量、表面膜层质量以及是否采用密封胶防护是影响其开裂的几个主要因素。

建议针对高盐、高热、高湿环境下研究铝合金高锁螺母收口/装配变形量、热工艺处理、表面处理工艺、防护工艺，避免开裂问题的发生。

参考文献：

[1] 钛合金高锁螺栓断裂原因分析 何军 理化检验-物理分析.2020

    [2] 不同因素对高锁螺母锁紧