辛志文 ， 毛永杰 ， 張韶佳

（1. 昌河飛機工業(yè)（集團）有限責(zé)任公司，江西 景德鎮(zhèn) 333000；2. 南昌航空大學(xué) 航空制造工程學(xué)院，南昌 330063）

0 引言

螺栓連接是機械結(jié)構(gòu)中常用的連接方式。連接螺栓的壽命與強度直接影響機械結(jié)構(gòu)的使用性能及安全性能[1-3]。直升機主槳轂工作時承受高周疲勞載荷，與槳葉連接處的固定螺栓主要受徑向離心力的影響。當(dāng)該螺栓內(nèi)部組織產(chǎn)生缺陷時容易發(fā)生斷裂，造成飛行安全事故[4-7]。

直升機在飛行1598 h18 min后進行例行檢查時發(fā)現(xiàn)，槳葉安裝螺栓開裂，如圖1所示。螺栓材料為18Cr2Ni4WA，熱處理工藝為淬火+回火，抗拉強度≥1180 MPa。螺栓表面鍍鎘，厚度為5～8 μm。螺栓加工過程為：下料-數(shù)車-退火軟化處理-磷化潤滑-螺栓頭冷擠壓-整體吹砂-半精車-劃鉆保險孔-無心磨-滾絲-分光-熱處理（淬火+回火）-磁粉檢測-鍍鎘鈍化-成檢。

圖1 槳葉安裝螺栓斷裂圖Fig.1 Blade installation bolt fracture diagram

在對直升機零部件失效分析方面，國內(nèi)外已有部分研究。徐其航等[8]對直升機主槳轂頂蓋連接螺栓斷裂故障從宏觀及微觀角度進行分析，確定主槳轂頂蓋連接螺栓的斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂。熊鴻建等[9]通過對連接螺栓進行疲勞試驗，分析可知連接螺栓斷裂性質(zhì)均為單向彎曲疲勞斷裂。Slager[10]對直升機主傳動螺旋錐齒輪斷裂進行一系列研究，發(fā)現(xiàn)化學(xué)腐蝕是其主要的失效原因。賈寶惠等[11]根據(jù)現(xiàn)役民用直升機的使用特點，建立了一個三層三級的EDR 指標(biāo)評級模型，為直升機金屬結(jié)構(gòu)維修間隔評估提供工程依據(jù)。付雷[12]分析了高強度鋼在塑性變形后對氫致裂紋的敏感性，發(fā)現(xiàn)相同的充氫電流密度條件下，發(fā)生塑性變形的試樣拉斷后脆性斷裂區(qū)所占斷口比例較未變形的試樣低。

本研究通過宏觀微觀分析、斷口特征分析、硬度檢測、化學(xué)分析等手段，分析槳葉安裝螺栓斷裂性質(zhì)，確定槳葉安裝螺栓斷裂的原因，并根據(jù)斷裂原因提出改進措施。該故障實例驗證了塑性變形對零件氫損傷行為的影響，本研究以期提高槳葉安裝螺栓的使用性能及壽命，保證飛行過程中的安全性。

1 試驗過程與結(jié)果

1.1 宏觀觀察

槳葉安裝螺栓整體形貌見圖2。由圖中可以看出，螺栓斷裂位置位于螺栓頭部與光桿轉(zhuǎn)角根部，且螺栓頭部均存在一條或多條徑向裂紋，徑向裂紋與轉(zhuǎn)角根部的橫向裂紋連通。從分解后的螺栓形貌可以看出其徑向裂紋已打開，并制備了螺栓頭部斷口縱截面試樣。

圖2 槳葉安裝螺栓整體形貌Fig.2 Overall morphology of blade installation bolts

槳葉安裝螺栓斷口宏觀形貌見圖3。可見，主斷口較粗糙，存在較大高差，斷面基本與螺栓軸向垂直，斷面四周呈灰黃色，心部存在棕紅色銹跡和銀灰色疲勞擴展斷面；徑向斷口的擴展棱線方向顯示其是由主斷口側(cè)向外擴展，即由主斷口發(fā)展產(chǎn)生。

圖3 槳葉安裝螺栓斷口宏觀形貌Fig.3 Macroscopic morphology of fracture section of blade installation bolt fracture

1.2 斷口微觀觀察

將斷裂的螺栓斷口用超聲清洗后置于掃描電鏡下觀察。槳葉安裝螺栓斷口形貌見圖4。根據(jù)斷口擴展棱線（圖4a中紅色箭頭）的方向可知，斷裂至少由3處起源并向內(nèi)擴展，起源處均接近于螺栓表面。斷口源區(qū)及擴展區(qū)均為沿晶斷裂特征，斷面局部存在絮狀覆蓋物，局部較干凈區(qū)域可見撕裂棱特征（圖4b、圖4c）。另外，局部斷面存在大量沿晶分布的二次裂紋，能譜分析可見斷面存在較多Cd元素，局部近表面斷面的Cd元素含量高達45%（表1）。

表1 槳葉安裝螺栓主斷口能譜分析（質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%）Table 1 Energy spectrum analysis of the main fracture surface of blade installation bolts (mass fraction /%)

圖4 槳葉安裝螺栓主斷口微觀形貌Fig.4 Microscopic morphology of the main fracture surface of blade installation bolt

徑向斷口微觀形貌見圖5。整體可見由螺栓主斷口向邊緣擴展特征，靠近主斷口側(cè)的斷面相對于靠近邊緣斷口存在較多覆蓋物，均說明徑向裂紋為后擴展形成。斷面整體為沿晶特征。

圖5 槳葉安裝螺栓徑向斷口微觀形貌Fig.5 Microscopic morphology of radial fracture of blade installation bolts

1.3 金相組織觀察

對槳葉安裝螺栓頭部斷口截面組織進行觀察，內(nèi)部可見大量開裂現(xiàn)象。根據(jù)裂紋路徑的收斂方向，推側(cè)裂紋由一側(cè)表面起源，沿徑向多路徑擴展（圖6）。

圖6 槳葉安裝螺栓斷口截面低倍形貌Fig.6 Macroscopic morphology of fracture section of blade installation bolt

源區(qū)附近組織見圖7，斷面附近存在較多平行斷面的沿晶裂紋，裂紋存在沿晶分叉現(xiàn)象；心部存在斜面，其附近存在平行斷面的裂紋，裂紋為穿晶特征（圖8）。各部位組織均為回火索氏體組織，未見明顯異常。

圖7 近表面處組織和開裂特征Fig.7 Microstructure and cracking characteristics near the surface

圖8 心部裂紋特征Fig.8 Features of cracks in the central part

零件表面的鍍層厚度會在一定程度上影響氫原子的滲入。為了排除該因素對故障的影響，在螺栓頭外表面檢測鍍層厚度，結(jié)果為9 μm（圖9）。該螺栓鍍鎘厚度要求為5～8 μm，檢測結(jié)果略高于技術(shù)要求。

圖9 鍍層厚度檢測Fig.9 Coating thickness detection

1.4 硬度及氫含量的檢測

在金相試樣上測試維氏硬度，結(jié)果見表2。結(jié)果顯示，硬度平均值為HV 387，通過GB/T 1172—1999《黑色金屬硬度及強度換算值》將維氏硬度換算為抗拉強度，換算結(jié)果為1245～1258 MPa，強度滿足技術(shù)要求，但明顯偏高。

表2 維氏硬度測試結(jié)果Table 2 Results of Vickers hardness test

在槳葉安裝螺栓螺紋段中間部位取試樣，檢測氫含量，檢測結(jié)果氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1×10-6。

1.5 熱處理有限元分析

為了驗證槳葉安裝螺栓在進行熱處理后是否會在斷裂處（螺栓頭根部）產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，采用SYSWELD熱處理仿真分析系統(tǒng)對零件熱處理工藝進行仿真。根據(jù)螺栓的熱處理工藝“（650～700） ℃保溫（35～75）min+（850～860） ℃保溫（35～75）min+油淬+（460～510） ℃保溫（180±45）min油冷”開展螺栓淬火+回火熱處理后的應(yīng)力分析。

回火后不同應(yīng)力狀態(tài)分布見圖10。由等效應(yīng)力云圖可知，螺栓外表面應(yīng)力水平較高，約為155～170 MPa；圓周方向應(yīng)力云圖顯示，螺栓頭部及附近光桿部位處于拉應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力達到160 MPa；軸向應(yīng)力云圖顯示，螺栓頭部及附近光桿部位處于拉應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力為100～150 MPa。對比轉(zhuǎn)角和光桿部位的各類應(yīng)力水平，可知轉(zhuǎn)角部位略低于光桿部位。

圖10 回火后不同狀態(tài)應(yīng)力分布情況Fig.10 Stress distribution in different states after tempering

2 分析與討論

經(jīng)觀察可知，槳葉安裝螺栓宏觀斷面較粗糙，邊緣存在富Cd覆蓋物，斷面整體為沿晶斷裂特征，有沿晶開裂的二次裂紋，晶界面可見撕裂棱特征。斷面大部分區(qū)域可檢出較高含量的Cd元素，分析認(rèn)為該螺栓為氫致斷裂?；诼菟〝嗝娲嬖诖罅緾d元素的現(xiàn)象，可判斷螺栓開裂應(yīng)發(fā)生于鍍鎘過程中或鍍鎘之前。

若在鍍鎘之前即發(fā)生沿晶開裂，可能與螺栓材料或工藝過程有關(guān)。材料發(fā)生沿晶開裂一般由氫脆引起，通過對螺栓氫含量測試可知，螺栓內(nèi)部氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1×10-6，氫含量不高且零件不受外力，即螺栓在鍍鎘之前由材料本身發(fā)生沿晶開裂的可能性較小。在螺栓工藝流程中，磷化、沖壓和熱處理是需要關(guān)注的3個關(guān)鍵過程。其中，磷化存在引入氫的可能，但此時材料處于退火狀態(tài)，氫脆敏感性不強，后續(xù)晶粒淬火+回火過程會消除磷化引入的氫，故磷化過程引起沿晶開裂的可能性不大；在沖壓過程中，螺栓頭部受到較大應(yīng)力作用，此時材料處于退火態(tài)且室溫環(huán)境中，若該工藝下螺栓發(fā)生開裂，裂紋應(yīng)為穿晶斷裂特征，與故障觀察到的斷裂特征不一致，即此過程發(fā)生沿晶開裂的情況幾乎為零；在淬火+回火的熱處理過程中，產(chǎn)生的沿晶裂紋為淬火裂紋，淬火裂紋一般與材料淬透性和冷卻速率有關(guān)。18Cr2Ni4WA淬透性較好，且螺栓尺寸較小，冷卻速率也較小，產(chǎn)生淬火裂紋的可能性較小。綜上，鍍鎘之前螺栓發(fā)生沿晶開裂的可能性較小。

2.1 螺栓表面處理工藝分析

鍍鎘過程中發(fā)生沿晶開裂是一種典型的氫脆開裂現(xiàn)象，可從2個方面分析，即殘余應(yīng)力和鍍鎘工藝中引入氫。

在電鍍過程中，工件作為陰極，在沉積鍍層的同時不可避免會析出氫，一般需要通過控制電鍍工藝參數(shù)控制氫的析出量，避免氫原子進入金屬基體而在晶界處聚合成H2，造成沿晶開裂現(xiàn)象。氫原子的析出不僅向內(nèi)部擴散，也會向外部擴散，而轉(zhuǎn)角部位的結(jié)構(gòu)特性會引起氫向材料內(nèi)部擴散的可能性高于光桿部位。本故障螺栓中存在大量一次沿晶裂紋及二次沿晶裂紋，表明進入材料內(nèi)部的氫含量較高，螺栓開裂可能與電鍍工藝有關(guān)。檢測螺栓頭部鍍層厚度為9 μm，略高于技術(shù)要求（5～8 μm），進一步說明電鍍工藝需要進一步加強控制。另外，材料組織、硬度檢測結(jié)果均未見明顯異常。

綜上，分析認(rèn)為螺栓氫致開裂現(xiàn)象應(yīng)在鍍鎘過程中發(fā)生，且與電鍍工藝有關(guān)。

2.2 螺栓根部R區(qū)成形工藝分析

按照零件加工工藝流程，其根部R區(qū)成形主要有2個步驟。首先是冷擠壓成形R區(qū)初形，然后是無心磨削R區(qū)。

1）冷擠壓成形。

槳葉安裝螺栓毛坯及冷擠壓成形模具如圖11所示。毛坯A、B面作為主承力面（分別對應(yīng)頂桿上端面和下墊圈上端面）相互平行，并與擠壓方向垂直，同時通過支撐底座的內(nèi)孔對螺栓毛坯C區(qū)進行定位，單面定位間隙為0.051～0.105 mm。

圖11 槳葉安裝螺栓毛坯及冷擠壓成形模具示意圖Fig.11 Schematic diagram of blade installation bolt blank and cold extrusion forming mold

擠壓前，將軟化和潤滑處理后的擠壓毛坯放入下墊圈和支撐底座內(nèi)孔中進行定位；擠壓過程中，擠壓力由擠壓凹模傳遞給擠壓毛坯，并通過擠壓毛坯桿部下端A面和凸肩B面同時分別傳給凸模上的頂桿和下墊圈上，實現(xiàn)約束；成形后，由頂桿頂出成形零件。

螺栓頭冷擠壓過程為局部擠壓成形，在擠壓過程中，僅螺栓頭部局部受力發(fā)生塑性變形，毛坯受力不均勻。擠壓力作用于螺栓頭位置，強迫材料發(fā)生流動，毛坯肩部受到擠壓力，材料流動方向受到剪切抗力，毛坯肩部材料塑性變形嚴(yán)重，加工硬化現(xiàn)象明顯，最終導(dǎo)致在螺栓肩部R區(qū)形成應(yīng)力集中區(qū)。采用DEFORM仿真軟件進行分析，應(yīng)力分布模擬結(jié)果如圖12所示。

強化監(jiān)督管理立法層次，對優(yōu)化監(jiān)督機制有著積極促進作用。首先應(yīng)當(dāng)加強財政稅法制管理，營造良好的稅收監(jiān)督氛圍。我國稅收監(jiān)督管理工作，歸屬于行為范疇；對此，從行為管理角度出發(fā)，以戰(zhàn)略發(fā)展層次，加強立法機制建設(shè)尤為關(guān)鍵。其次加強稅收內(nèi)部監(jiān)督，形成財政全過程管理機制，將事后管理過渡到事前管理，促使監(jiān)督主客體的行為，與稅收管理要求一致。最后加強稅收部門有效配合，共同推動監(jiān)督管理工作有效落實。尤其是政府，應(yīng)加強財務(wù)稅收工作研究，根據(jù)監(jiān)督管理規(guī)定，展開各項財務(wù)稅收工作，確保財政監(jiān)督管理的實效性。根據(jù)監(jiān)督機制形勢展開各項管理工作，促使財政部門協(xié)調(diào)發(fā)展，進一步完善與有效落實監(jiān)督機制。

圖12 應(yīng)力分布模擬結(jié)果Fig.12 Simulation results of stress distribution

從圖12中可以看出，螺栓在冷擠壓后位于十二角帶法蘭面與根部之間區(qū)域的等效應(yīng)力較其他處高，最大等效應(yīng)力位于螺栓頭中心處，應(yīng)力為777 MPa。當(dāng)零件受沖壓力作用后發(fā)生塑性變形，零件內(nèi)部塑性變形程度小于螺栓頭外表面，螺栓頭成形后呈現(xiàn)出外壓內(nèi)拉的應(yīng)力分布形式，即零件靠近外表面區(qū)域受壓應(yīng)力作用，而心部受拉應(yīng)力作用，拉應(yīng)力沿軸向最大值可達766 MPa，當(dāng)零件在該方向上受力超過該值時發(fā)生失效。同時，由向量圖也能夠看出零件在變形過程中位于螺栓頭心部處材料沿2個不同方向流動，越靠近心部，流動速度越小。

在擠壓過程中，擠壓凹模受到向外的擠壓抗力，下墊圈受沖壓力作用。在模具設(shè)計中，下墊圈為加工過程中的消耗品，其作用是防止擠壓凸模斷裂。在實際加工過程中，下墊圈只有幾十件的加工壽命，由于下墊圈破裂有一個發(fā)展的過程，如在失效的進程中（未完全失效狀態(tài)下）進行擠壓成形，會造成R區(qū)應(yīng)力分布不均衡。

冷擠壓成形后，螺栓根部R區(qū)具有較大的殘余應(yīng)力。當(dāng)模具下墊圈破裂，會導(dǎo)致破裂處對應(yīng)的R區(qū)位置發(fā)生應(yīng)力集中，這是導(dǎo)致后期發(fā)生氫致裂紋的一個主要因素。經(jīng)查HB/Z 136《航空結(jié)構(gòu)鋼熱處理工藝》，為消除冷鐓后顯微組織的不均勻性，改善組織及切削加工性能，可以進行正火、正火+高溫回火、完全退火或等溫退火等工藝過程，而本故障螺栓的工藝流程中未設(shè)置此工序。

2）無心磨削。

槳葉安裝螺栓的螺栓頭與光桿轉(zhuǎn)接圓弧區(qū)（即根部R區(qū)）采用無心磨成形，螺栓根部R1.5 mm由成型砂輪保證，如圖13所示。

圖13 無心磨加工原理示意圖Fig.13 Schematic diagram of centerless grinding principle

無心磨砂輪種類為白剛玉，適合磨削淬硬鋼，按照機械制造手冊，磨削工序應(yīng)安排在淬火+回火后進行。槳葉安裝螺栓磨削工序安排在退火軟化狀態(tài)下進行，此時被加工材料硬度低、塑性高，磨削性能較差，磨削時易產(chǎn)生粘附現(xiàn)象以及砂輪堵塞鈍化，不易獲得良好的表面質(zhì)量，甚至產(chǎn)生劃痕，如圖14所示。

圖14 無心磨根部R區(qū)形貌Fig.14 Morphology of R zone at the root of centerless grinding

由于該螺栓材料的缺口敏感性低，磨削即使出現(xiàn)劃痕，也不會直接引起淬火、鍍鎘過程中的開裂。若劃痕處有較高的殘余應(yīng)力，在后續(xù)的熱處理過程中，殘余應(yīng)力結(jié)合淬火應(yīng)力有可能高出材料的組織強度，引起顯微裂紋，由于裂紋被金屬粘附掩蓋，結(jié)果導(dǎo)致后續(xù)產(chǎn)生的缺陷未能被及時發(fā)現(xiàn)。在電鍍鎘過程中顯微裂紋進一步引發(fā)氫致裂紋。

綜上所述，冷擠壓過程造成螺栓根部R區(qū)局部應(yīng)力集中，螺栓根部磨削加工造成R區(qū)表面存在缺陷。這些因素是直接導(dǎo)致鍍鎘過程中發(fā)生氫致裂紋的主要原因。

3 改進措施

針對此次槳葉安裝螺栓斷裂故障，結(jié)合分析結(jié)果，提出以下改進措施：

1）冷擠壓后增加去應(yīng)力正火工序。為消除冷擠壓成形后的殘余應(yīng)力，針對18Cr2Ni4WA材料特性，在冷擠壓成形工序后，增加950 ℃正火+（650～680 ℃）高溫回火工藝，細化晶粒，并使組織均勻化，改善內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)及切削性能，避免殘余應(yīng)力對后續(xù)加工的不良影響。

2）調(diào)整熱處理（淬火+回火）及磁粉檢測工序。由于槳葉安裝螺栓在完全退火狀態(tài)下材料硬度很低，磨削時易產(chǎn)生磨削劃痕和金屬粘附的現(xiàn)象。因此，通過調(diào)整工序順序?qū)崽幚恚ù慊?回火）調(diào)整到磨削前進行，能夠避免槳葉安裝螺栓產(chǎn)生磨削劃痕和金屬粘附的問題。此外，GJB 2028A—2019《磁粉檢測》中“帶鍍層制件的磁粉檢測順序”要求，當(dāng)零件抗拉強度σb＞1080 MPa且鍍層厚度≤0.02 mm時，需在電鍍后安排磁粉檢測工序。槳葉安裝螺栓抗拉強度σb≥1180 MPa且鍍層厚度為5～8 μm，其磁粉檢測工序安排在電鍍鎘工序前進行不符合GJB 2028A—2019要求，需將該工序調(diào)整至電鍍鎘后進行。

3）增加冷擠壓模具控制措施。為了降低或避免冷擠壓過程中因模具下墊圈失效繼續(xù)擠壓造成的應(yīng)力不均衡，增加冷擠壓成形模具的控制要求，即明確1件模具下墊圈擠壓零件不超過40件，嚴(yán)格控制模具下墊圈使用次數(shù)。同時，加強螺栓表面狀態(tài)檢查，檢查R區(qū)不允許存在由下墊圈裂紋引起的局部線狀凸起。

4 結(jié)論

1）槳葉安裝螺栓根部斷裂為沿晶脆性斷裂。斷裂原因為：冷擠壓成型產(chǎn)生的塑性變形對高強鋼18Cr2Ni4WA造成材料損傷，激發(fā)了電鍍鎘過程中的氫損傷行為；同時不合理的工序流程設(shè)計與根部R成形方式（無心磨）給R區(qū)表面造成初始劃傷加劇了應(yīng)力集中效應(yīng)，最終導(dǎo)致零件疲勞斷裂。

2）建議對零件冷擠壓成形模具增加控制措施、在冷擠壓工序后增加去應(yīng)力正火工序。同時，將熱處理（淬火+回火）調(diào)整到無心磨之前、磁粉檢測工序調(diào)整至電鍍鎘后進行能夠有效防止故障再次發(fā)生。