螺母表面裂纹失效分析

王 珊，欧阳康

（国营芜湖机械厂，安徽 芜湖241007）

0 引言

螺栓等紧固件广泛应用于航空、航天等领域，紧固件的失效往往会导致十分严重的后果[1]。不锈钢紧固件具有许多优点，但在实际生产应用过程中仍会出现失效等情况[2]。某飞机在维修检查过程中发现多个不锈钢螺母存在裂纹。该类螺母为收紧螺母，主要用于接头，包括两通接头、三通接头的连接及紧固。该类螺母的材料牌号为1Cr11Ni2W2MoV，表面处理状态为化学钝化，工作环境为油液环境，-55℃～70℃。本文针对两个失效的螺母进行分析，分别编号为1#及2#，如图1所示。通过对螺母周向裂纹进行了宏观观察、断口宏微观分析、能谱分析、金相观察、硬度分析，确定了螺母的断裂原因及给出了改进措施。

图1 螺母形貌

1 试验过程与结果

1.1 宏观观察

对1#、2#螺母进行宏观观察，可以看到1#螺母有两条裂纹，2#螺母有一条裂纹，见图2、图3。其中1#螺母裂纹分别在螺纹位置沿纵向扩展及R角位置沿轴向开裂；2#螺母裂纹位于R角位置，裂纹均可观察到分叉。同时，在R角裂纹附近，可见多处腐蚀坑，表面状态较差。

图21 #螺母形貌

图32 #螺母形貌

将裂纹打开，观察裂纹内部形貌，可见1#螺母的轴向断面平整，可见明显的分界，断口位置可见红褐色锈蚀且锈蚀严重，锈蚀区域穿透整个断面，打断区域呈金属光泽，侧面可见二次裂纹。纵向裂纹打开后可见断面平整，锈蚀痕迹，见图4。2#螺母断口平整，可见红褐色锈蚀痕迹，分界面明显，侧面可见二次裂纹，见图5。

图41 #螺母断面形貌

图52 #螺母断面形貌

1.2 断口微观及能谱分析

为进一步观察断口形貌，采用微观方式进行形貌观察。将断口用丙酮溶液清洗后，置于扫描电子显微镜对断面进行分析。可见1#螺母周向断面呈沿晶形貌[3]，表面可见腐蚀产物，在断面及打断区位置可见明显分界[4]，打断位置呈韧窝形貌，见图6。沿晶区域能谱可见Cl等腐蚀元素，韧窝区域未见腐蚀元素，见图7。

图71 #断口能谱分析（周向）

纵向断面可见典型沿晶特征，表面附着腐蚀产物见图8。沿晶区域能谱可见Cl等腐蚀元素，见图9。

图81 #螺母微观形貌（轴向）

图9 断口能谱分析（纵向）

根据宏观断口情况及微观形貌，可知到2#螺母断面从外侧起源，断面位置可见沿晶特征，沿晶面可见腐蚀产物，在断面及打断区位置可见明显分界，打断位置呈韧窝形貌，见图10。沿晶区域可见Cl等腐蚀元素，韧窝位置未见腐蚀元素，见图11。

图102 #螺母微观形貌

图112 #断口能谱分析

1.3 金相分析

对螺母的金相组织进行分析，以确定是否存在金相缺陷。选取2#螺母沿轴向切取试样制取金相样品，打磨、抛光腐蚀后进行观察，可见基体为马氏体组织[5]，晶界清晰，可见均匀分布的板条状马氏体组织，见图12。

图12 金相组织

1.4 硬度分析

使用洛氏硬度计对螺母进行硬度试验，结果见表1。通过表1可以看出，螺母的洛氏硬度值在标准值区间内，相对偏高。

表1 洛氏硬度测试结果

1.5 残余应力测试分析

使用加拿大PROTO公司的iXRD 300W X射线应力测定仪对螺母R角位置垂直于裂纹方向进行残余应力测试，测试结果分别为+100 MPa、+124 MPa及+203 MPa，表面为残余拉应力状态。

2 分析与讨论

通过宏微观观察可知，1#、2#螺母裂纹处均可看到裂纹分叉及腐蚀产物。断口打开后观察到断面平整，有明显锈蚀痕迹，未见异常损伤。微观观察断面呈沿晶脆断特征，人工打断区域为韧窝特征，能谱分析断面有S、Cl等元素，由此判断，1#及2#螺母断裂性质均为应力腐蚀。

应力腐蚀的形成条件包括：持续拉应力、腐蚀介质以及应力腐蚀敏感性[6]。1）R角位置为残余应力聚集区域，且通过残余应力测试可知螺母位置存在表面残余拉应力；2）螺母工作环境为油液，油液中存在腐蚀元素，同时打开断面后也可检测到S、Cl等元素，说明在环境中存在腐蚀元素；3）1Cr11Ni2W2MoV材料本身应力腐蚀敏感性较高[7]，硬度值在标准范围内但偏高，这样应力腐蚀敏感性更高，更易造成应力腐蚀。

综上，两个螺母的断裂性质均为应力腐蚀。当多个螺母频繁出现应力腐蚀，根据应力腐蚀形成条件，可通过更换材料避免应力腐蚀敏感性、消除表面残余拉应力以及增加表面防护手段等方式进行预防。但是，考虑到工厂该类螺母的使用量较大，更换材料影响较广，不建议更换材料。因此，通过降低材料表面硬度来减小应力腐蚀敏感性，同时，对入厂螺母表面的残余应力情况进行抽检，并关注该类螺栓等紧固件的表面状态，及时通过腐蚀点的出现来判断是否出现应力腐蚀裂纹。

工厂通过将螺母表面残余应力改性为残余压应力，降低材料硬度至25～30区域内的方式，同时在验收关卡增加对螺母表面腐蚀特性的观察，有效避免了螺母应力腐蚀的发生。

3 结束语

螺母等紧固件在使用过程中出现应力腐蚀的失效模式较为常见，针对该类故障表现的特性，主要通过调整材料硬度、表面残余应力特性等方式进行材料改进；同时通过螺母的抽检等方式，关注其表面状态，通过腐蚀点的出现来判断是否出现应力腐蚀裂纹等情况。