低合金超高强度钢螺钉断裂原因分析

袁钰坤，王领，张鹏博

中国航天科工集团第六研究院二一〇所 陕西西安 710065

1 序言

30CrMnSiNi2A是广泛应用于我国航空航天制造的低合金超高强度钢，是一种综合性能优良的结构材料。该钢在30CrMnSiA钢的基础上提高了锰和铬含量，并添加了1.4%～1.8%的镍（质量分数），使其淬透性得到明显提高[1]。经过热处理后可获得高的强度、塑性和韧性，良好的抗疲劳性和断裂韧度，低的裂纹扩展速率，因而适合制造高强度的连接件、轴类零件以及起落架等重要受力结构件。但30CrMnSiNi2A钢等温热处理制度较为严苛，不合理的热处理制度无法发挥材料性能，在使用过程中容易发生脆性断裂。

某型号固体火箭发动机燃烧室壳体尾端采用法兰连接结构连接后封头，该燃烧室壳体进行水压爆破试验时，升压至16MPa时（设计要求爆破压力≥17.4MPa），首个螺钉从第一扣螺纹处发生断裂，继续升压至16.6MPa时，所有螺钉断裂，燃烧室壳体后封头脱落，连接失效（见图1）。

图1 水压失效断裂螺钉残骸

该发动机燃烧室壳体，螺钉材料为30CrMnSiNi2A钢，规格为M10×1，工艺过程为：原材料复验→粗加工→半精加工→精加工成形→等温淬火→无损检测→表面达克罗处理。加工过程中无涉氢环节。设计要求常温下抗拉强度为1550MPa。

本文对断裂螺钉及同批次生产的螺钉进行了失效仿真、拉伸和冲击试验，并对断裂螺钉断口及拉伸、冲击试样断口进行检测和分析，对螺钉金相组织进行了检测及分析。综合以上试验及测试结果确定了螺钉断裂性质，明确了螺钉断裂原因。……