飞机螺栓断裂原因分析

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[摘 要]某飞机升降舵调整片电动机构固定螺栓，材料为30CrMnSiA，在使用约180小时左右，发生断裂。采用化学成分分析、硬度检测及断口分析等方法对该螺栓的断裂性质及原因进行了分析。结果表明，该螺栓碳含量偏高，导致该螺栓脆性增大并最终在应力集中处产生脆性双侧解理疲劳断裂。

[关键词]螺栓；解理疲劳；双侧疲劳；应力集中

中图分类号：V224 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）47-0342-01

1 引言

某型飞机飞行前检查时发现多架飞机的升降舵调整片电动机构前后移动，打开口盖发现固定该电动机构的螺栓发生断裂，这些飞机的飞行时间都在在180小时左右。该螺栓所使用的材料为30CrMnSiA，规格为Ф8mm，表面经镀锌处理。

本文章对其中一件断裂螺栓进行了宏微观观察，对其硬度、化学成分进行了检测，分析了断裂的性质。

2 分析检测

2.1 宏观观察

该螺栓外观形貌如图1所示，该螺栓的断裂位置位于螺纹根部。该螺栓断口宏观形貌如图2所示，断口中部表面较粗糙，在左右对称区域存在两处较光滑的月牙形区域，其中图2所示左侧月牙区域位于该螺栓螺纹根部第一齿上。

2.2 微观观察

该螺栓断口经超声波清洗后置于扫描电子显微镜下观察，断口低倍形貌如图3所示，可以看到该断口存在两个月牙形较光滑区域，这两个月牙形区域各占整个断口面积的5%左右，这两个月牙形区域对称分布在断口的两侧，在月牙形区域中间是较粗糙的断口区域，该区域面积约占整个断口面积的90%。

图3所示的上侧月牙形区域放大形貌如图4所示，可以看出该处月牙形区域断口较光滑，且有棱线存在，棱线的方向是指向下侧月牙形区域的。观察上侧月牙形区域的高倍形貌，如图5所示，断口呈疲劳条带与放射棱线形貌，疲劳条带与放射棱线相垂直，放射棱线的方向是从螺栓表面起源指向下侧月牙形区域。观察源区处形貌，如图6所示，源区表面未发现加刀痕等缺陷，在断口源区表面进行能谱分析，结果见表1，未见有腐蚀产物存在。

图3所示的下侧月牙形区域放大形貌如图7所示，形貌与上侧月牙区域形貌一致。观察其高倍形貌，如图8所示，断口呈疲劳条带与放射棱线形貌，疲劳条带与放射棱线相垂直，放射棱线的方向是从螺栓表面起源指向上侧月牙形区域。断口局部区域有磨损形貌。观察源区处形貌，源区表面未发现加刀痕等缺陷。

图3所示的中部区域微观形貌如图9所示，呈准解理断裂特征。在图3和图7所示的中部区域与下侧月牙形区域相交接处，有一处台阶形貌，台阶形貌的微观形貌如图10所示，呈韧窝形貌特征。

2.4 硬度与化学成分检测

（1）硬度检测

该螺栓去除表面涂层后进行硬度检测，结果见表2所示，可见该螺栓硬度符合图纸要求。

（2）化学成分分析

该螺栓去除表面涂层后，经检测化学成分结果见表3，可见该螺栓碳含量高出GJB1951-94的要求。

3 分析与讨论

（1）断口分析：从宏观和微观断口分析看，该螺栓两侧相对应的两个源区的疲劳形貌属于脆性解理疲劳形貌[2]中间扩展区形貌主要以准解理形貌为主，最后瞬断区形貌为韧窝形貌。另外从其两个源区的位置可以判断，该螺栓断口属于双侧疲劳断裂。

（2）硬度与化学成分分析：从硬度结果看，该零件硬度在合格范围之内，但接近上限；从化学分析结果看，该螺栓的碳含量高出国军标的要求，对于30CrMnSiA材料，碳含量增加会增加其材料的脆性[3]。从硬度和化学成分的指标上都反映出该螺栓偏硬，这与断口分析中得到的脆性解理疲劳结论相吻合。

（3）断裂位置分析：该螺栓的断裂位置位于螺纹根部，属于应力集中较大的位置。

4 结论

该螺栓断裂性质属于脆性双侧解理疲劳断裂。