摆振限动块安装螺栓断裂原因分析

白红超 ，黄景兴 ，陈 尧

（1.昌河飞机工业（集团）有限责任公司，江西 景德镇 333002；2.无损检测技术教育部重点实验室（南昌航空大学），南昌 330063）

0 引言

1Cr17Ni2 不锈钢是一种具有较高强度和硬度的低碳马氏体不锈钢[1-2]，在航空和船舶等工业领域常作为紧固件材料[3-5]。由于1Cr17Ni2 不锈钢的力学性能对合金成分、杂质限量非常敏感，容易出现应力腐蚀开裂[6-7]。应力腐蚀开裂是材料在应力及腐蚀介质共同作用下发生的一种局部性的、迅速的破坏方式[8-9]。1Cr17Ni2 不锈钢存在高温回火脆性，表现在500～600 ℃回火或在较高温度回火缓冷经过上述温度区间后，冲击韧性下降，并产生沿晶断裂[3-10]。相关研究表明，直升机锁紧螺母开裂是由于螺母在回火脆性温度区间回火，导致氯离子与硫离子发生作用产生应力腐蚀开裂，但可以通过提高回火温度来降低锁紧螺母的应力腐蚀敏感性[11]。蒋克全等[12]通过对起落架连接螺栓进行材质、工艺、断口等分析，发现螺栓应力腐蚀开裂的原因同样是由于回火温度选择不当导致。近几年，航空器关键部件的1Cr17Ni2 不锈钢紧固件出现多起应力腐蚀断裂故障，该失效可能造成较大的飞行安全事故。上述研究的开展，为减少不同应用场景螺栓的应力腐蚀开裂，提高直升机运营的安全性提供了解决思路。

摆振限动块是通过螺栓安装在主桨毂中央件上，用以限制直升机桨叶的摆振范围。当安装螺栓断裂后，摆振限动块被甩出，主桨毂丧失相应的桨叶摆振限动功能，在极端飞行情况下会影响飞行安全。2 架直升机分别飞行33 Fh 59 min 和37 Fh 48 min 时，经例行检查发现，主桨毂蓝色支臂和绿色支臂各2 根摆振限动块安装螺栓断裂。断裂螺栓型号为HB1-101F8×74，材料为1Cr17Ni2，HB 1-101—2002《六角头螺栓》技术要求σb=1080～1280 MPa。4 根断裂螺栓属于2 个生产批次。本研究通过对断裂螺栓表面的损伤特征、断口形貌进行宏微观观察，对其金相组织和硬度进行检查，确定锁紧螺母的断裂性质，并对断裂原因进行综合分析，针对试验结果提出预防与改进措施。

1 试验过程与结果

1.1 宏观检查

断裂的摆振限动块固定螺栓宏观形貌见图1。1#、2#螺栓为飞行33 Fh 59 min 直升机摆振限动块安装螺栓，其断裂位置在螺栓光杆区域，定义为第1 批次故障件；3#、4#螺栓为飞行37 Fh 48 min 直升机摆振限动块安装螺栓，其断裂位置在螺栓根部，定义为第2 批次故障件。两批次故障件如图1所示。

图1 摆振限动块安装螺栓外观形貌及断裂部位Fig.1 Appearance and fracture position of setting bolt for shimmy stopper

1.2 断口观察

在实体显微镜下观察4 个螺栓断口，其宏观形貌如图2 所示。断口均无明显的宏观塑性变形，断面较平齐，断裂方向垂直于螺栓轴向；断面呈颗粒状，未见放射棱线，无明显断裂起源；断面总体呈亮灰色，局部存在褐色锈蚀痕迹。观察断口侧表面形貌，未见异常。

图2 螺栓断口宏观形貌Fig.2 Macroscopic appearance of bolt fracture

采用扫描电子显微镜观察断口微观形貌，结果如图3 所示。4 个断口表面均观察到明显的沿晶特征，呈冰糖块状，并有二次裂纹沿晶界分布，分析断口性质均为沿晶脆性断裂。

图3 螺栓断口微观形貌Fig.3 Microscopic appearance of bolt fracture

1.3 化学成分分析

对4 根螺栓基体材料分别进行化学成分分析，结果见表1，均符合技术条件要求。

表1 螺栓化学成分分析结果（质量分数/%）Table 1 Chemical composition analysis results of bolts (mass fraction/%)

1.4 硬度检测

在螺栓断口附近截取试样进行硬度检测，结果见表2。根据HB 1-101—2002 中关于1Cr17Ni2螺栓抗拉强度1080～1280 MPa 的要求，按GB/T 1172—1999《黑色金属硬度及强度换算值》换算成洛氏硬度要求为HRC 35.5～41.3。由表2 可知，4 个断裂螺栓硬度值均符合技术要求。

表2 硬度HRC 测试结果Table 2 Results of HRC hardness testing

1.5 试验验证

1）热处理核查。核查断裂螺栓批次的热处理记录，结果见表3。HB/Z 80—2011《航空用不锈钢热处理》规定，1Cr17Ni2 材料抗拉强度为1080～1280 MPa 时，淬火温度为950～1040 ℃，回火温度为480～540 ℃。2 批次螺栓热处理温度满足技术要求。

表3 断裂螺栓的热处理温度Table 3 Heat treatment temperature of the fracture bolts ℃

2）拧紧力矩试验。为了测试螺栓承受最大拧紧力矩，选取故障件2 批次螺栓各5 件，进行拧紧力矩试验（拧紧力矩均为湿力矩）。首次加载力矩为理论最大值19 N·m，未发现异常情况下按5 N·m 递增继续加载力矩；若发现异常时，按每1 N·m 递增继续加载力矩，直至螺栓断裂为止。各螺栓承受的最大拧紧力矩如图4 所示。从图4可以看出，2 批次螺栓所承受的拧紧力矩均超过30 N·m，摆振限动块安装螺栓设计拧紧力矩区间为15～19 N·m，试验最大力矩范围为设计要求的1.6～2.0 倍。

图4 2 批次螺栓的极限拧紧力矩Fig.4 Results of tightening torque of 2 batches of bolts

3）拉伸试验。根据GJB 715.23—2015《紧固件试验方法拉伸强度》，对该2 批次各3 件的摆振限动块螺栓进行破坏拉力试验，结果见表4。由表4 可知，螺栓拉伸强度均满足最小破坏拉力要求37 240 N。

表4 拉力试验结果Table 4 Results of tensile testing N

4）冲击韧性试验。为了验证不同热处理温度对1Cr17Ni2 材料冲击韧性的影响，采用1000、1030 ℃对试样进行淬火，然后分别进行300、400、500、600 ℃回火，最后进行冲击韧性试验，结果如图5 所示。由图5 可知：在300～600 ℃回火温度区间内，材料冲击韧性随着回火温度的升高而降低；淬火温度为1030 ℃的试样较淬火温度为1000 ℃的试样具有更高的冲击韧性；当淬火温度为1030 ℃时，300 ℃回火的试样冲击韧性比1000 ℃淬火+600 ℃回火温度试样冲击韧性高4 倍。

图5 不同热处理温度下的试样冲击韧性Fig.5 Impact toughness of specimens at different heat treatment temperatures

2 分析与讨论

从以上分析结果可知，断裂螺栓的材料化学成分、热处理状态、抗拉强度和拉伸强度均符合技术要求。从故障件同批次螺栓的拧紧力矩试验中可以看出，螺栓所承受的拧紧力矩均超过设计最小要求的1.6 倍，螺栓固定的拧紧力不会造成螺栓的断裂。

根据HB 1-101—2002，1Cr17Ni2 螺栓抗拉强度应达到1080～1280 MPa。为满足抗拉强度的要求，断裂的螺栓热处理工艺依据HB/Z 80—2011选择淬火温度分别为1000、1030 ℃，回火温度分别为510、520 ℃。但该标准中相关内容备注指出“考虑到回火脆性的不良影响，除制件有特殊要求外，不宜采用480～540 ℃进行回火”。螺栓相关工艺的设计人员在选择热处理工艺时可能并未考虑到该回火温度对性能的影响。从螺栓断口形貌可以看出，断口均无明显断裂起源，为沿晶冰糖块形貌，符合回火沿晶脆性断裂的特征，可以说明螺栓的断裂是由于热处理回火温度选择不当引起的回火脆性。

直升机摆振限动块主要功能是限制桨叶的摆振范围，当直升机地面开车关车或非正常状态时，桨叶摆振角度达到限制范围时，会与支臂的摆振限动片发生碰撞，由于摆振限动块安装螺栓具有回火脆性，碰撞时的冲击力导致了螺栓断裂。1Cr17Ni2 不锈钢是一种对回火温度极其敏感的材料，因此，在选择热处理工艺时应充分考虑其使用环境的要求，分析回火温度对性能的影响，选择合适的回火温度。

针对1Cr17Ni2 材料出现的回火脆性问题，将1Cr17Ni2 螺栓热处理工艺调整为1030 ℃ 淬火+300 ℃回火。图6 为改进热处理工艺后2 个螺栓试样的人为断口形貌。由图6 观察可知，断口微观形貌为韧窝特征，而并非图3 所示的冰糖状断口形貌，表明改进工艺后螺栓试样的断口性质为非脆性断裂。因此，改进后的热处理工艺能够有效提高摆振限动块安装螺栓的冲击韧性，避免在服役过程中发生断裂。自实施上述热处理工艺后，摆振限动块安装螺栓一年内未再发生相同的断裂故障。

图6 改进热处理工艺后的螺栓断口微观形貌Fig.6 Microscopic appearance of bolt fracture after improving heat treatment process

3 结论

1）摆振限动块安装螺栓服役过程中发生断裂是由于热处理工艺不当，回火温度过高产生回火脆性引起的。

2）通过降低回火温度改善摆振限动块螺栓的回火脆性，以降低飞行过程中因其受桨叶冲击导致的脆性断裂风险。