摘 要:通过理化检验、仿真分析和装配拧紧试验等方法,对 HB4-49收紧螺母的开裂性质和原 因进行了分析。结果表明:该螺母开裂的原因为拧紧力矩过大。
关键词:螺母;开裂;力矩
中图分类号:TG115.5 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)04-0064-04
HB4-49收紧螺母是飞机液压、燃油等系统广 泛使用的一种标准件[1],主要用于连接飞机各管路 系统。若收紧螺母产生裂纹,则管路极易连接失效, 一旦管路发生泄漏问题,将严重影响飞行安全。某 HB4-49 收 紧 螺 母 沿 周 向 发 生 开 裂,其 材 料 为 30CrMnSiA 钢,该钢是一种合金结构钢,强度高,具 有良好的加工性能。在飞机的装配过程中,曾多次 发生 HB4-49收紧螺母沿周向开裂的故障。通过理 化检验、仿真分析和故障复现试验等方法,对 HB4- 49收紧螺母的开裂性质和原因进行了分析。
1 理化检验
1.1 宏观分析
该 HB4-49收紧螺母开裂位置的宏观形貌如图1 所示,螺母在卡槽过渡处沿周向发生开裂,开裂长度 约为62mm。裂纹开口尺寸为中间大,向两头逐渐减 小,开口最大宽度为1.8mm。螺母尾部发生明显变 形,由水平状变为向外凸起,凸起角度约为24°。
收紧螺母 断 口 宏 观 形 貌 如 图 2 所 示,内 表 面 裂纹长度大 于 外 表 面 裂 纹 长 度,原 始 开 裂 区 域 断 面呈暗 灰 色,颜 色 均 匀 一 致,肉 眼 未 发 现 外 来 夹 杂物。
1.2 化学成分分析
对 断 口 源 区 进 行 化 学 成 分 分 析 ,分 析 结 果 如表1所示,符合 GJB1951—1994 《航空用优质结构 钢棒规范》的要求。
1.3 扫描电镜分析
采用Sigma300型扫描电子显微镜对断口进行 观察,整个断面均为韧窝形貌,失效模式为过载开 裂[2]。低倍下未观察到明显的放射线,但根据不同 区域的韧窝拉长方向可以判断断口起源于螺母内表 面卡槽过渡处;高倍下观察到源区两侧的韧窝拉长 方向相同,为撕裂型韧窝,放射区呈等轴韧窝形貌, 剪切唇区韧窝呈抛物线形貌(见图3)。此外,断口 表面未见夹杂等缺陷,也无原始裂纹。
1.4 金相检验
在断口附近截取试样,磨抛腐蚀后采用光学显 微镜进行观察。在螺母边缘未见过热、过烧或脱碳 现象,心部为正常的热处理回火组织[3-5](见图4)。
2 有限元仿真分析
根据30CrMnSiA 钢 棒 的 力 学 性 能 测 试 结 果 (试验方法参考 GB/T228—2002 《金属材料 室温 拉伸试验方法》)[6-7],模拟轴向拉力作用下收紧螺母 的应力分布云图(见图5)。通过增加轴向拉力,观 察发生塑性变形的起始位置。在轴向拉力作用下, 卡槽过渡处为塑性变形的起始位置。
3 装配拧紧试验
经检查判断,故障收紧螺母开裂原因为螺母内 表面卡槽过渡处过载,且故障发生在拆装螺母过程 中,因此开展故障复现试验,验证开裂原因是否是拧 紧力矩 过 大。试 验 采 用 可 调 式 力 矩 扳 手,量 程 为 40~200N·m。选用同批次、同材料的收紧螺母和四 通接头组件,对收紧螺母进行拧紧操作,该规格收紧 螺母的拧紧力矩为55.0~57.5N·m,试验设定初始 拧紧力矩为50N·m,随后以10N·m 的幅度递增。 当拧紧力矩设为130N·m 时,试验件未被破坏,随 后以 5 N·m 的 幅 度 递 增。将 拧 紧 力 矩 设 置 为 140N·m,在 拧 紧 过 程 中,拧 紧 力 矩 未 达 到 140N·m 时,收紧螺母便出现了裂纹(见图6)。
对试验中开裂的收紧螺母进行宏观和微观检 查,在螺母尾部肉眼可见明显的凸起变形,开裂长度 约为27mm。断口微观形貌也呈现起源于内表面 的大应力过载开裂,断口微观形貌如图7所示。
4 综合分析
通过对故障螺母的宏观和微观分析结果可知, 螺母尾部发生塑性变形,内表面裂纹长度大于外表 面裂纹长度,断面呈暗灰色纤维状,靠近外表面处为 剪切唇区,可知断裂起源于内表面,且对应螺母的内 部卡槽部位为截面突变处,该处存在应力集中,为零 件薄弱部位;整个断面上未见疲劳、腐蚀形貌等特 征,为典型韧窝的韧性断裂特征,因此可判断开裂性 质为大应力导致的过载开裂[8]。此外,裂纹源区未 见夹杂等缺陷,也未见原始裂纹和除基体材料以外 的异常元素;金相检验结果正常,说明材料性能不是 螺母开裂的主要原因。
故障螺母与装配拧紧试验开裂螺母的宏观及微 观形貌特征相似,失效模式相同,均为过载开裂,因此 可以判断故障螺母开裂原因为装配时拧紧力矩过大。
5 结论与预防措施
(1)收紧螺母的失效模式为装配时拧紧力矩过 大导致的大应力过载开裂。
(2)装配拧紧过程应严格按照操作规程的要求 进行操作,禁止工作人员借助身体增大力臂,及避免 冲击发力,增加导管连接后螺母尾部变形检查,不允 许有凸起变形和裂纹等。
参考文献:
[1] 李英亮.紧固 件 概 论 [M].北 京:国 防 工 业 出 版 社, 2014.
[2] 董玉军,李丹,龙腾,等.夹片螺母装配失效分析[J]. 理化检验(物理分册),2018,54(10):772-774.
[3] 李炯辉.金属材料金相图谱[M].北京:机械工业出版 社,2006.
[4] 李剑玉.十字槽沉头螺钉断裂失效分析[J].理化检验 (物理分册),2018,54(2):151-154.
[5] 顾晓春,李婷,王帅,等.30CrMnSiA 钢螺栓断裂原因 [J].理化检验(物理分册),2020,56(11):59-61.
[6] 鲁厚发.飞机腐蚀搭接板的应力分析[J].计算机辅助 工程,2013,22(5):60-63,121.
[7] 谢伟,周慕莹,齐紫 玉.30CrMnSiA 缺 口 试 样 低 周 疲 劳寿命 研 究 [J].航 空 工 程 进 展,2019,10(4):542- 549.
[8] 张栋.失效分析[M].北京:国防工业出版社,2004.文字