卞超群 贾义政 欧阳康

0 序言

航空产品修理过程中经常出现的机械故障为裂纹、断裂和腐蚀等，文章主要内容为螺栓的断裂整个溯源过程及后续验证改进。

根据资料得知，该螺栓的材料牌号为0Cr16Ni6，表面处理状态为化学钝化。螺栓的原始完好状态如图1 所示。

图1 螺栓的原始完好状态

对断裂螺栓进行了宏观观察、端口宏观微观分析、金相观察、硬度分析，查找螺栓断裂原因。

1 宏观观察

对断裂螺栓进行宏观观察，见图2，结合图1 固定装置中螺栓位置可知断裂螺栓位于固定装置做外层，螺栓断裂在固定装置孔位置附近。同时，螺纹位置是使用焊接的方式将螺栓及螺母融为一体，呈圆头状，防止螺栓松脱。

图2 螺栓宏观形貌

在体式显微镜下观察螺栓断面，可以看出螺栓整个断口断面平坦，起伏较小，有许多取向不同、比较平滑的小平面，边缘位置可见磨损痕迹。

图3 螺栓断面形貌

2 断口微观分析

用扫描电阻显微镜对断面进行微观分析，见图4。从图中可以看出，整个断面呈沿晶形貌，部分位置可见摩擦痕迹。同时，表面附着一层细密氧化层及腐蚀物。

图4 断面低倍形貌

3 金相分析

截取螺栓断面位置以及远离断面位置，制样腐蚀后进行金相分析，见图5、6。从图中可以看出，断口位置及远离断口位置金相组织均为马氏体+δ 铁素体+残余奥氏体，晶粒度评级为3 级。

图5 断口位置金相组织

图6 远离断口位置金相组织

由于该螺栓使用焊接方式将螺栓及螺母融为一体，为了解螺栓原始的金相组织，选取另一批次未经焊接的螺栓制作金相样品并分析，件图7。金相组织为马氏体+δ 铁素体+残余奥氏体，晶粒度评级为7 级。

图7 金相组织

4 能谱分析

使用能谱仪对断面进行微区成分分析。从图表中可见，断面除含Fe、Cr 等元素外，还含有较高的Pb 元素，推断在焊接过程中，断面位置可能出现焊料元素。

5 硬度分析

使用显微硬度计对金相试验进行硬度试验，结果见表1。通过表1 可以看出，断裂螺栓抗拉强度值区间，原始螺栓的抗拉强度较高，略高于标准值。

图8 断面能谱分析

表1 维氏硬度测试结果

6 分析和结论

宏微观特征来看，螺栓断面整个断口较为平坦，边缘磨损，可见取向不同，比较光滑的小刻度。同时，微观整个断面呈沿晶形貌，无韧窝特征出现。金相特征来看，断裂螺栓对比原始状态螺栓，晶粒粗大，马氏体粗大，这使得螺栓的塑性、脆性及冲击韧性等指标下降；同时，由于晶粒粗大，会使晶界强度下降，使断裂沿晶界展开，造成微观的沿晶。

从以上现象特征可以推断，晶粒粗大是导致螺栓受力断裂的主要原因，而热处理过程中过热或在后期焊接过程中温度过高会导致晶粒粗大，导致易从晶界位置开始断裂。

7 故障定位及改进

对同一批次的螺栓的金相组织及焊接后金相组织进行分析，观察晶粒度的变化情况。经过观察晶粒度的变化情况，确定造成晶粒粗大的原因是由于热处理过程中温度过高导致。后续对热处理后的同一批次螺栓的金相组织进行抽检。