航空航天螺纹紧固件失效模式分析及预防

导读

作者：孙淑玲、王琦（中国航发商用航空发动机有限责任公司，上海）

来源：《中国新技术新产品》年12月

摘要：该文介绍了航空航天螺纹紧固件的基本结构，基于螺纹连接结构的特点，分析了螺纹紧固件的受力情况及常见断裂位置。然后，基于螺纹的受力情况，分析了螺纹紧固件的四种常见失效模式，包括疲劳断裂、过载失效、氢脆、应力腐蚀开裂，同时，基于制造、安装、服役等经验总结了四种失效模式的影响因素，并提出了相应失效模式下的预防措施，对预防螺纹紧固件失效具有重要意义。

0引言

在航空航天应用中每年因紧固件的失效造成损失达数十亿美元，有些甚至造成伤害和死亡。据统计已有60多起飞机事故归因于紧固件失效。而在航空航天领域，螺纹紧固件应用数量越来越多，其作用也越来越重要。由于螺纹紧固件失效的常见性和问题的严重性，因此分析和研究紧固失效的模式及影响因素，采取必要的措施以预防紧固失效的发生，就显得尤为重要。

1螺纹紧固件的基本类型

航空航天螺纹紧固的基本类型包括螺栓连接、螺钉连接、双头螺柱连接，如图1所示。其中：1）螺栓连接用于连接两个或多个较薄的零件，在被连接件上开孔并穿过螺栓，依靠螺栓和螺母的螺纹进行紧固，结构简单，装拆方便，应用广泛。2）螺钉连接用于两个被连接件中一个较厚，但不需要经常拆卸的场合。螺钉连接结构简单、紧凑，只需将螺钉拧入被连接件的螺纹孔中，不需要用螺母。3）双头螺柱连接用于被连接件之一厚度较厚，不宜用螺栓连接，又需经常拆卸的场合。在厚零件上加工出螺纹孔，薄零件上加工光孔，将螺柱拧入螺纹孔中，用螺母压紧薄零件实现连接。在拆卸时，只需旋下螺母而不必拆下双头螺柱，可避免被连接件上的螺纹孔损坏。

2螺纹紧固件的受力分析及常见断裂位置

螺纹紧固件的受力分析主要在于螺纹结构的受力分析，螺栓、螺钉、螺柱的螺纹结构相似，受力情况分析也相似，在这些螺纹紧固件中应用最多、承载最大的是螺栓连接结构，因此该文主要分析螺栓连接结构的受力情况。

螺栓在使用中受力状态复杂，主要受拉应力、扭转应力、剪应力（相对较少），特殊情况下还会受振动交变应力作用。因此，螺栓通常主要承受拉伸、扭转以及它们之间的复合应力作用，而螺母中最主要的应力是螺纹的剪应力。因此，螺栓通常因承受拉伸载荷在螺纹根部失效，螺母通常因受螺纹大径的剪切失效。

如果螺栓和螺母都是非弹性的，并且两者的螺纹配合能够绝对准确，则载荷会在所有承载螺纹上均匀分配。然而，由于紧固件本身的精度要求及制造公差影响，螺纹加工不可能做到绝对准确，并且，从材料特性上看，任何材料也都是有弹性的。因此，所有的螺纹紧固件的载荷在螺纹上的分配都是不均匀的，加载过程只有前面几扣的螺纹是啮合的。当连接受载时，螺栓受拉伸，外螺纹的螺距增大；而螺母受压缩，内螺纹的螺距减少。螺纹螺距的变化差以旋合的第一圈处为最大，以后各圈递减。螺栓承受的拉伸载荷使其伸长，这就使靠近螺母承力一侧的螺纹分担更大的载荷，而其余承力螺纹分担的载荷则依次减少。螺纹紧固件各螺纹之间的载荷分布示于图2。

对主要受轴向载荷并承受拉应力的螺栓断裂位置进行的大量统计分析表明，螺栓常见的断裂位置分别在以下三处，其发生断裂的统计频率[1]如图2所示。1）与螺母配合部分的第一螺牙的根部；2）螺栓头与螺杆的过渡区；3）螺纹与光杆部分的过渡区。

由于螺栓与螺母配合的第一螺牙承载力大，约占轴向拉应力的31%（见图2），螺栓此处应力峰值最大，如图3中应力分布曲线所示，因此处发生断裂的频率最高。从图3的应力分布曲线可以看出在螺栓头部与杆部过渡区和螺纹与光杆的过渡区均存在应力集中，这就造成对应位置存在断裂的风险。通常可以通过镦制螺纹头部、滚压螺纹、滚压头部与杆的圆角、螺纹与光杆处圆角过渡等使这些部位形成连续的金属纤维流线，从而提高其疲劳强度。

3螺纹紧固件失效模式及预防措施

3.1疲劳断裂

疲劳断裂是指螺纹紧固件在周期性变化的交变应力持续作用下发生的断裂。螺纹紧固件疲劳断裂包括三个阶段：第一阶段，螺纹根部、头-杆连接处半径或材料缺陷处初始裂纹萌生期；第二阶段，循环加载疲劳裂纹缓慢增长期；第三阶段，疲劳裂纹超过临界值，螺栓横截面突然断裂。据统计，紧固件80%的失效案例是由于疲劳失效引起的。

螺纹紧固件的材料、结构、应力幅度、平均应力、装配参数都会影响其疲劳性能[2]。导致紧固件疲劳断裂的影响因素如下。

螺栓初始扭矩值过低。大多数材料具有疲劳极限，如果应力低于疲劳耐久极限，即使承受很多循环次数的工作载荷也不会发生失效。如果工作应力低于预紧力，螺栓承受载荷最小，几乎不产生疲劳损伤[2]。但是，如果预紧力不足，则螺栓可能在很低的循环周期内失效[3]。

应力集中的影响。螺纹紧固件应力集中的部位包括与螺母配合的第一螺牙的根部、头-杆连接处圆角、螺纹与杆过渡区（如图3所示），同时螺栓螺纹收尾处通常为非完整螺纹，也会造成应力集中。这些部位周期性承受交变载荷容易产生疲劳裂纹。

表面完整性的影响。表面完整性破坏因素包括表面粗糙度、表面防护层的致密性、完整性及外界因素造成的机械损伤等。表面完整性不符合要求或在使用中遭到破坏均会造成紧固件的力学性能、物理性能与化学性能下降，从而诱发疲劳裂纹在这些部位萌生。

针对上述影响因素的特点，预防紧固件疲劳断裂的措施：1）根据螺栓的屈服强度和直径确定并验证扭矩值。2）减少应力集中程度。对圆角过渡处（头-杆连接处圆角、螺纹与杆过渡区圆角、螺纹牙底圆角），可加大圆角尺寸；螺母与螺栓配合时，配合面离螺栓螺纹收尾至少2个螺距，可显著提高螺栓使用循环次数。3）提高表面完整性。加工螺纹时，滚压螺纹而非车削螺纹，滚压螺纹会在紧固件表面产生一定深度的残余压应力层，同时还会改善表面粗糙度，这两方面都有利于提高疲劳性能。

3.2过载失效

螺纹紧固件的过载失效是指外力超过其承载极限而发生的失效，主要包括韧性过载断裂、脆性过载断裂和“脱扣”等。螺纹紧固件的受力主要有装配预紧力和工作载荷，承受弯曲和剪切载荷的情况较少，满足设计要求的预紧力可保证螺纹紧固件在使用中承受较小的载荷，避免其承受弯曲、剪切载荷，并可有效降低疲劳载荷。对高强度螺纹紧固件，通常预紧力都比较大，可达到螺栓理论保证载荷的70%以上，因此螺纹紧固件的过载失效通常在装配阶段就会发生，少部分在服役过程中过载断裂也往往是由于其他结构的损坏而导致的。

引起过载失效的原因主要有如下几点：1）设计选用的螺纹尺寸不配或旋合长度不足造成螺纹脱扣。2）材料强度不足、内部缺陷或裂纹等原因造成螺栓承载力不足而发生断裂。3）装配预紧力超过螺栓的正常承载能力而断裂。螺栓典型的拉伸过载失效会在断裂前拉伸并“缩颈”如图4所示。

针对上述影响因素的特点，预防紧固件过载失效的措施如下：1）设计选用螺栓、螺母应经过准确的强度校核。2）选择与工作载荷匹配的强度和韧性的材料。3）选择合适的装配工艺，有效控制装配预紧力。装配预紧力通常通过在螺栓、螺钉或螺母上施加扭矩获得。当拧紧螺栓到屈服点至断裂的过程中，扭矩波动较小，难以通过设置扭矩阀值来控制装配。因此，当所需的预紧力接近或达到螺栓屈服点时，采用扭矩控制法装配是不合理的，宜采用扭矩加角度控制的装配方法。

3.3氢脆

氢脆是由于氢渗入紧固件金属内部并向应力集中的部位扩散聚集，当氢原子聚集达到一定量级后形成氢分子，并产生巨大的压力。这个压力与零件内部的残余应力、零件承受的外加应力组成一个合力，当这合力超过材料的屈服强度，就会导致断裂发生。氢脆是螺纹紧固件重要的失效形式之一。由于氢脆多为脆性断裂，紧固件失效前没有任何征兆，无法预先判知。加之对紧固件而言，氢脆多为批次性问题，而紧固件一般都为大批量生产，因此危害极大。

影响氢脆发生的因素主要为以下几点：1）敏感材料。高强度钢具有极高的氢脆敏感性，任何强度等级≥8级的紧固件都对氢脆及其敏感。钛合金材料相的组成对钛合金氢脆有显著影响，对α型钛合金，低含量的氢就可使冲击韧性下降；而β型钛合金或两相钛合金的氢脆敏感性就差很多，这与氢在α型钛合金中溶解度低有关[4]。2）应力高于临界值。当紧固件的应力载荷超过材料极限强度的75%时，氢易于在应力梯度驱动下，向应力区聚集，应力越高，越易形核并扩展，当该工作应力达到临界应力时产生裂纹。因此应力越大，诱发氢脆可能性越大，并且导致发生氢脆的孕育期越短。3）氢原子。热处理、电镀、酸洗等工艺过程产生的氢渗入金属内部。紧固件在热处理过程中，氢在金属材料中的溶解度随着温度而变化，当温度降低或组织转变，氢的溶解度由大变小时，氢原子便从固溶体中析出，而由于凝固或冷却速率较快，氢原子跑不出去，就残留在金属材料基体内。紧固件在电镀、酸洗等工艺过程中，由于溶液和金属材料的阳极反应产生大量的氢离子，氢离子形成氢原子并渗入金属内部。氢原子在各类金属中扩散程度不同。氢在镉金属中最难扩散，在镀镉工艺中，电镀产生的氢渗入镀镉层及镀层下的紧固件表层便很难向外扩散，经过一段时间后，氢原子便渗入紧固件内部。

针对上述影响因素的特点，预防紧固件氢脆导致失效的措施：1）选材不宜取高强度钢，并尽可能避免冷压后酸洗处理，要在设计强度许可的范围内，尽可能降低材料的抗拉强度是防止氢脆敏感性高的有效办法。2）增加去氢工艺，在热处理、电镀、酸洗等工艺后尽快安排去氢工艺，合理安排烘烤温度和时间，消除氢脆隐患。3）采用低氢扩散性和低氢溶解度的镀涂层，慎重选用镀镉工艺；或者将表面镀层工艺改为非电解镀层，如用达克罗涂覆层代替镀锌。

3.4应力腐蚀开裂

螺纹紧固件受拉伸应力作用并在特定介质中，由于腐蚀介质与应力的共同作用所导致的脆性断裂为应力腐蚀开裂。由于应力腐蚀开裂是典型的滞后破坏形式，因此会危害结构的安全。

影响紧固件发生应力腐蚀开裂因素如下：1）应力腐蚀敏感材料。纯金属不会发生应力腐蚀破坏，但几乎所有的合金，添加非常少的合金元素在特定的腐蚀环境中，都会引起应力腐蚀开裂。2）特定腐蚀环境。金属材料只有在特定的活性腐蚀介质中才发生应力腐蚀开裂，即对一定的金属材料，需要有一定特效作用的离子、分子或络合物才会导致构件的应力腐蚀开裂，如黄铜的氨脆、低碳钢的硝脆、奥氏体不锈钢的氯脆等。常见腐蚀介质包括电解液、酸洗液、清洗液、切削液等[5]。3）拉伸应力。能引起金属产生应力腐蚀的最小应力称为应力腐蚀开裂的临界应力，临界应力大小受材料、环境等因素影响。

针对上述影响因素的特点，预防紧固件应力腐蚀开裂的措施：1）合理选材，提高冶炼、热处理工艺水平等措施，可降低材料的应力腐蚀敏感性。2）控制环境因素，针对具体合金，可控制其敏感介质的数量，同时，控制环境温度、升高pH值、降低氧含量、加入合适的缓蚀剂、使用保护涂层、增加电化学防护、避免腐蚀液残留等都是有效的方法。3）降低和消除应力，如改进设计结构，避免或减少局部应力集中；通过加工、制造、装配控制尽量避免残余应力过大。

4结语

螺纹紧固件在航空航天领域起至关重要的作用，其失效可能导致重大后果。疲劳断裂、过载失效、氢脆、应力腐蚀开裂是螺纹紧固件失效的常见模式，通过分析失效模式产生的原因并有针对性地提出预防措施，从螺纹紧固件设计、制造、安装等各方面提出改进措施，对预防因螺纹紧固件失效而产生重大事故具有重要意义。