在航空發動機的設計、制造、使用及維護過程中，螺紋聯接的安全和防松問題日益突出，自鎖螺母特別是高溫自鎖螺母因其可靠的抗振防松、可重復使用功能成為航空業應用最為廣泛的螺紋聯接件。自鎖螺母利用非圓形收口在螺母擰緊以后，收口處脹開，利用收口的回彈力使得旋合螺紋相互壓緊，產生鎖緊力矩，起到聯接防松的作用。高溫合金尤其是GH2132以其良好的高溫強度和抗氧化、抗腐蝕性能，優異的抗疲勞和抗蠕變性能，以及極佳的斷裂性能和組織穩定性，成為現代國防建設和國民經濟發展中不可替代的關鍵材料。以往關于自鎖螺母研究大多集中在材料相關性能的探究，對其制造件失效的研究甚少，尤其對自鎖螺母失效案例報道極少。本研究以某自鎖螺母在振動試驗中收口處開裂為研究對象，采用體視檢查、斷口微觀分析、能譜分析、金相組織分析及顯微硬度檢測等方法，確定了自鎖螺母裂紋產生的原因，并提出了相應的預防措施。
一、試驗過程及結果
對自鎖螺母振動失效件采用體視顯微鏡外觀檢查發現，收口部位裂紋分布具有較強的規律性：裂紋均出現在短軸的收口部位并貫穿至內螺紋；裂紋呈細直線狀，起始于直口頂端并沿著軸向擴展。如圖1所示。
圖1 裂紋在收口處外表面形態
將打斷之后的樣件采用金相觀察發現，裂紋起始于內螺紋牙底，并向外側擴展（見圖2）。采用電鏡掃描發現螺紋牙底附近組織呈疏松塊狀，源區及擴展區可見明顯的疲勞弧線，斷面上出現晶間開裂和解理特征，且斷面上未見材質缺陷（見圖3）。
圖2 螺紋牙底裂紋金相
圖3 螺紋牙底電鏡掃描形態
對裂紋區域和人工打斷區進行能譜成分分析，結果如圖4所示。裂紋區除了存在基體材料的主要元素外，還存在大量的Ag元素，圖3中的A區域螺紋牙底存在大量Ag元素。
圖4 裂紋區域能譜成分分析
分別對打斷樣件的收口裂紋處及非收口部位由表及里直至螺紋牙底進行顯微硬度分析，距表面不同距離處的顯微硬度變化曲線如圖5所示。其中產品正常硬度范圍為281~357HV，由硬度曲線可看出，非收口部位硬度值正常，收口處顯微硬度值明顯高于非收口部位。對于收口部位而言，距離內外表面0.4mm內的顯微硬度明顯高于心部硬度值。
圖5 顯微硬度測量曲線
如圖6、圖7所示，自鎖螺母的微觀組織無過熱、過燒現象，晶粒大小均勻，無粗晶或細晶帶狀組織。另外，組織中非金屬夾雜物正常，無超過材料標準規定的雜質。
圖6 螺母金相組織
圖7 螺母金相非金屬夾雜物
二、裂紋成因分析
對螺母的金相組織及非金屬夾雜物分析表明，材料的組織無過熱、過燒現象，晶粒大小均勻，無粗晶或細晶帶狀組織。非收口部位顯微硬度也符合相關技術條件要求。同時，螺母斷口處未發現材質缺陷，即此次螺母失效與產品的材質及冶金質量無直接關系。通過對裂紋區的斷口分析可知，裂紋由螺紋牙底萌生，裂紋微觀形貌為明顯的疲勞條帶、纖維狀，斷面上出現晶間開裂和解理特征，可以判斷出裂紋的性質為疲勞斷裂。人工打斷區螺紋牙底附近顏色較深，與其他區域明顯不同，能譜分析表明裂紋區域除基體主要元素外，還存在大量的Ag元素。結合自鎖螺母的主要加工工序（無心磨→下料→普通車加工→熱鐓→噴砂→固溶→普通車加工→攻螺紋→數控車加工→收口→時效→熒光檢測→噴砂→鍍銀→終檢）可以判斷出Ag元素來自于表面處理工序，即微裂紋在鍍銀之前已經產生。從螺母的裂紋形成部位分析，裂紋均出現在短軸的收口部位并貫穿至內螺紋。同時，裂紋呈細直線狀，起始于直口頂端并沿著軸向擴展。另外，顯微硬度分析表明：收口處顯微硬度明顯高于非收口部位。特別是收口部位內外表面0.4mm內的顯微硬度明顯高于心部硬度。這是因為在收口時長軸外表面受拉應力同時短軸內表面也受拉應力，再加上收口處螺紋牙底相對尖銳，易形成應力集中而產生微裂紋，經過振動試驗，微裂紋發生擴展，最終出現疲勞斷裂。因此，可以判斷出微裂紋是在收口工序產生的。
三、結論及預防措施
1）高溫合金自鎖螺母裂紋是在表面時效處理工序之前的收口工序產生的。因自鎖螺母采用數控收口機進行兩點收口，螺母直口變形部位單位面積受力較大，再加上螺母壁厚較薄，螺紋牙底相對尖銳，易出現應力集中，致使收口之后形成微裂紋。2）預防自鎖螺母收口產生裂紋的措施是改變收口方式，由兩點收口改為橢圓收口，對螺母外圓進行包裹式整體擠壓，避免局部出現較大的應力集中。另外，適當增加螺母收口處外圓直徑，即增加螺母壁厚。通過此種工藝改進，螺母裂紋故障得到了有效消除。
作者：徐家強，付建建等
單位：河南航天精工制造有限公司研究所、河南省緊固連接技術重點實驗室
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