TB8钛合金高锁螺栓安装断裂原因

许永春, 李祥军, 李旭健, 孙晓军, 董晨曦, 周玉宝

(1.河南省紧固连接技术重点实验室, 信阳 464000；
2.河南航天精工制造有限公司, 信阳 464000；
3.航天精工股份有限公司, 天津 300304)

TB8钛合金是一种新型亚稳态β型钛合金，其具有较好的冷成型性、良好的抗氧化性和耐腐蚀性，及优异的热稳定性等[1-2]。TB8钛合金可用于制作对工作温度要求较高的飞机或发动机结构件等[3]。随着航空技术的发展，对现代飞机的紧固件连接提出了小质量、高强度、长寿命、易安装等要求，钛合金高锁螺栓具有高强度、小质量、可控预载荷、高疲劳寿命等特点，在航空工业中得到了广泛应用[4]。

某表面有铝涂层的TB8钛合金高锁螺栓在装配过程中发生断裂，笔者采用一系列理化检验方法对该高锁螺栓的断裂原因进行了分析。

1.1 宏观观察

断裂螺栓宏观形貌如图1所示，由图1可知：螺栓断裂位置为离收尾部位约2扣螺纹处，与断裂螺栓配套安装的高锁螺母外观较为完好，断径槽未被拧断；
螺栓光杆部位表面涂层损伤较为严重，螺栓头下圆角表面铝涂层局部存在明显损伤，而相对面圆角铝涂层较为完好，表明螺栓在安装过程中存在偏斜。

1.2 断口分析

将螺栓断口用无水乙醇和超声波清洗后，在扫描电镜(SEM)下进行观察，断口的微观形貌如图2所示。由图2可知：高锁螺栓断口呈灰色，断面较为平齐，裂纹源区位于螺纹牙根处，呈线性特征，未见夹杂物、气孔等缺陷和陈旧性裂纹；
整个断面均呈韧窝形貌。

1.3 金相检验

在断裂螺栓头下圆角和螺纹处取样，在光学显微镜下观察，显微组织形貌如图3所示。由图3可知：头下圆角和螺纹金属流线正常，显微组织为β基体上析出的α强化相，未见过热、表面污染、磨削烧伤等缺陷；
牙顶处存在折叠，深度约为0.08 mm，显微组织符合技术要求。

1.4 力学性能测试

对同批次未用螺栓进行破坏拉力、双剪应力及疲劳性能试验，结果如表1所示。未用螺栓破坏拉力、双剪应力及疲劳性能试验结果均大于标准要求，且数据一致性较好。

表1 同批次螺栓力学性能测试结果

对与断裂螺栓配套安装的高锁螺母进行了拧断力矩、锁紧力矩、预紧力试验，结果如表2所示,数据均满足产品标准要求。

表2 配套高锁螺母力学性能测试结果

该断裂TB8钛合金高锁螺栓头下圆角处部分涂层可见明显损伤，另一侧涂层完好，表明螺栓在安装过程中存在偏斜现象；
断口较为平齐，未见陈旧性裂纹，断口均为韧窝形貌。

由上述分析可知， TB8钛合金高锁螺栓断裂形式为过载，即安装过程中螺栓所受载荷超出螺栓自身强度。高锁螺栓和高锁螺母装配方式如图4所示。在安装时，固定螺栓、旋转螺母，当断径槽被拧断时，螺母达到最大安装力矩，同时螺栓所受预紧力也达到最大值。配套高锁螺母断径槽未发生断裂，表明螺母还未加载到最大扭矩，螺栓就发生了断裂。由断裂螺栓头下圆角和光杆表面涂层损伤痕迹可知：在安装过程中，螺栓与安装孔存在不同轴现象。为了进一步验证安装不同轴对螺栓破坏拉力的影响，在螺栓头下放置不同斜度的垫片(见图5)进行拉伸试验。试验方案如表3所示。

表3 放置不同斜度垫片拉伸试验方案

试验方法依据GJB 715.23A—2008 《紧固件试验方法 拉伸强度》，拉力与斜度的关系如图6所示。由图6可知：随着垫片斜度的不断增加，拉力逐渐降低，当斜度增加至6°时，螺栓破坏拉力均小于标准值，其中1件螺栓的破坏拉力已经接近螺母预紧力下限；
当斜度增至8°时，除破坏拉力小于标准值外，其中1件螺栓的破坏拉力甚至小于螺母最小预紧力的要求。

由于螺栓与安装孔不同轴，并且随着斜度的增加，螺栓所承受的破坏拉力急剧降低。螺栓在安装过程中除受扭拉载荷外，还承受一定的弯矩[5]。当拧紧力矩逐渐增大到预紧力，且超出螺栓所承受的最大载荷时，与结构钢、不锈钢和高温合金相比，钛合金对表面缺陷具有更大的敏感性[6]，当高强度螺栓受拉力时，螺纹可以看作缺口，因此在螺纹根部会产生高应力集中[7]，造成螺纹处最大受力部位断裂，而此时扭矩还未达到使高锁螺母断径槽扭断的最大力矩。螺栓断裂位置为离螺纹收尾处约2扣螺纹处，此处有一定程度的应力集中[8]。在实际装配过程中，由于结构限制，在一些边角处用常规工具难以保证制孔质量[9]，应定制开发新型制孔及安装工具，以保证螺栓的正确装配。

(1) 该螺栓断裂形式为过载。螺栓无冶金缺陷，力学性能符合技术要求；
在安装过程中,存在螺栓与安装孔不同轴现象，使螺栓受额外弯曲应力，导致螺栓轴向承载能力下降。

(2) 对结构受限而导致安装孔难加工及紧固件难安装的问题，应开发新型制孔工具和安装工具，以提升紧固件的安装质量。