吊挂螺栓断裂分析

刘艳稳，张跃飞，陈 林，张 明

(1.中航航空服务保障(天津)有限公司，天津 300310；2.中国人民解放军驻162厂军事代表室，贵州 安顺 561018)

0 引言

30CrMnSiA钢是飞机制造业使用最广泛的一种调质钢，在淬火高温回火状态下具有较高的强度和足够的韧性，主要用于制造航空重要锻件、机械加工零件、钣金件和焊接件，如对接接头、螺栓、轴、齿轮等[1]。

转运吊装飞机时，发生前机身意外触地的严重事故，现场检查发现前挂点的吊挂螺栓断裂。该失效零件材质为30CrMnSiA，属于一次性产品，未经表面处理。通过对其宏观形貌、微观组织进行观察，并普查零件设计、生产和吊装现场，确定吊挂螺栓失效的性质和原因。本研究深化弯矩引起螺栓断裂的认识，为同类螺栓设计、装配提供了技术经验和工程借鉴[2]。

1 试验过程与结果

1.1 宏观观察

吊挂安装关系如图1所示，前挂点通过吊挂螺栓直接拧入机身3框，后挂点连接形式为悬挂梁。对失效吊挂螺栓进行相关计量，机械尺寸符合设计要求，公差满足HB 5800—1999《一般公差》规定。

2个吊挂螺栓的断裂位置基本相同，均位于第17～20扣螺纹处，断裂位置附近未见腐蚀和冶金缺陷。断裂螺栓及断口宏观形貌如图2所示。由图2可知：其中一个吊挂螺栓可见塑性变形(图2a、图2c)，另一个吊挂螺栓未见明显变形(图2b、图2d)；断口形貌基本相同，断口齐整、呈亮灰色，断面与轴线垂直；源区位于螺纹根部，为放射条纹收敛一侧，呈大线源特征，为一次性断口[3]。

1.2 微观观察

采用扫描电镜观察失效吊挂螺栓的断口，如图3所示。可见，发生塑性变形的吊挂螺栓为沿晶+晶间析出铁素体韧窝形貌，未发生明显塑性变形的吊挂螺栓为沿晶+准解理+晶间析出铁素体韧窝形貌。因此，断裂螺栓均呈现沿晶和穿晶断裂的混合型断裂[4]。

图1 吊挂安装图 Fig.1 Installation drawing of the hanger

图2 断裂螺栓宏观形貌及断口形貌Fig.2 Macro morphology of bolts and the fractures

1.3 化学成分分析

查阅失效吊挂螺栓的原始质量证明文件，确认零件材料为30CrMnSiA，未发现异常情况；在2个吊挂螺栓上各取3点，其化学成分检测结果表明符合相关技术要求[5]。

1.4 硬度检测

零件设计强度σb=(1 180±100) MPa，换算后的硬度值为HRC 36～41.5。采用HR-150A型洛氏硬度计对其进行硬度测定，实测硬度分别为HRC 39、HRC 41，符合设计要求[6]。

1.5 金相检验

在断裂的2个吊挂螺栓断口分别截取金相试样，经4%(质量分数)硝酸酒精腐蚀后，采用数字显微镜进行显微组织观察，结果见图4。由图4可知：脆性夹杂物和塑性夹杂物级别均为0.5级，符合标准要求[7]；该组织与正常调质热处理的回火索氏体不同，回火索氏体基体含大量铁素体，并沿晶界析出并呈网状分布。

图3 螺栓断口微观形貌Fig.3 Micromorphology of bolt fracture

图4 吊挂螺栓金相组织Fig.4 Metallographic structure of bolts

2 分析与讨论

2.1 失效性质

失效吊挂螺栓的断口观察结果表明：宏观可见放射条纹、微观可见沿晶+准解理+晶间析出铁素体韧窝，金相组织异常，大量铁素体沿晶界析出并呈网状分布，因此失效性质为脆性过载断裂。同时硬度、化学成分符合技术要求，可判定断裂与硬度、化学成分无关。

排除氢脆的原因在于：一是该螺栓的工艺过程仅涉及机加、淬火和回火，并不涉及电镀、酸洗等表面处理，不具备氢的来源；二是氢脆组织应为正常的回火索氏体，而该螺栓组织已经异常，大量铁素体沿晶界析出；三是氢脆断裂源区通常为沿晶分离，由于氢来不及由表面扩散至零件内部，所以扩展区为韧窝形貌[8]，而该螺栓的源区和扩展区形貌基本一致。

2个吊挂螺栓变形差异的原因在于：发生塑性变形的螺栓的抗拉强度和屈服强度略小于另一个螺栓，因此吊装飞机时，首先发生塑性变形和脆性过载断裂；假设它们之前分别承担1/4的飞机重量，一旦其中一个螺栓脆性过载断裂后，另一个螺栓将承担1/3的飞机重量，由于来不及变形，会导致直接脆性过载断裂。

2.2 失效原因

1)设计强度校核。前机身吊装空间位置和受力分析如图5所示，其中：F1为左前钢索F11和右前钢索F12形成的前钢索合力，Q为前钢索F1和后钢索F2形成的合力，等于飞机重力G=26 kN。

图5 前机身吊装空间位置图及受力分析Fig.5 Spatial location of the fore body and force analysis

根据力学平衡原理，列出如下方程：

Q=G=F1cos 56.8°+F2cos 45.5°

F1sin 56.8°=F2sin 45.5°

F1=F11cos 2.86°+F2cos 2.86°

F11sin 2.86°=F12sin 2.86°

由方程可求得：前钢索合力F1=18.929 kN，后钢索合力F2=22.270 kN，前钢索单根受力F11=F12=9.560 kN。

吊挂螺栓基本情况为：材料30CrMnSiA，抗拉强度σb=(1 180±100) MPa，屈服强度σs=835 MPa，螺栓M16×1.5-6g，有效直径d=14.6 mm，有效截面面积s=167.33 mm2，W弹性=3.14×d3/32=305.38 mm3。

对吊挂螺栓进行受力分析，可知：拉应力σ=F11×sin 33.2°/s=31.42 MPa，远小于σb=1 080 MPa，满足静强度要求；剪应力τ=F11×cos 33.2°/s=47.99 MPa，远小于τb=σb×0.6=648 MPa，满足静强度要求。

假设吊挂螺栓仅发生弹性变形，其承受最大屈服变形弯矩M屈服=W弹性×σs=255.093 N·m，承受最大弹性变形弯矩M弹性=W弹性×σb=391.040 N·m；吊挂螺栓实际承受的弯矩M拧到底=F11×cos33.2°×55=441.684 N·m，M拧一半=F11×cos33.2°×75=602.297 N·m；由于M拧到底和M拧一半远超M屈服和M弹性，一旦吊挂螺栓进入塑性变形，圆形截面的极限抗弯截面系数[9]Wp=1.65×W弹性=503.88 mm3，进而得到不同工况组合下抗弯安全裕度的分布情况，如表1所示。

表1 抗弯安全裕度分布情况Table 1 Examination result of bending safety margin

由表1可知，吊挂螺栓完全拧到底，其安全裕度仅为1.23～1.46，不满足设计企业设计规范中的3倍要求；吊挂螺栓仅拧入一半，其最大安全裕度为1.07，与本次事故情况相似。后挂点采用悬挂梁的连接方式，经计算其安全裕度符合要求。

2)工艺普查。淬火温度偏高、保温时间偏长，引起铁素体沿晶界析出，致使晶界的强度下降，造成零件综合性能下降[10-11]。

3)现场普查。失效吊挂螺栓的断口位置恰好位于与3框螺栓孔的交界处，仍有20 mm的旋紧量，证明未完全拧紧到底，导致力臂增加放大了力矩的作用效果。

3 结论及改进措施

1)吊挂螺栓断裂性质为脆性过载断裂；

2)断裂原因主要为组织异常(回火索氏体基体含大量铁素体)、脆性大、设计安全裕度不足等共同作用所致；

3)放弃旧式硬连接方式，改用新式软连接方式：将2条前钢索换为1条RH02-05合成纤维条形吊装带(额定6 t，安全裕度6：1)，2条后钢索换为2条R01-06合成纤维圆形吊装带(额定5 t，安全裕度6：1)。现场试验结果表明三点吊装更简便、更稳定、更可靠。