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1、小議航空工業(yè)醫(yī)院的發(fā)展對策 小議航空工業(yè)醫(yī)院的發(fā)展對策 2013/10/30 １氫含量的影響 氫致延遲斷裂多發(fā)生在高強(qiáng)度鋼和α＋β鈦合金中，當(dāng)其中含有適量的固溶狀態(tài)的氫時，在低于屈服強(qiáng)度的應(yīng)力作用下經(jīng)過一定時間后會突然脆斷。斷裂壽命與所加應(yīng)力水平有關(guān)，應(yīng)力越低斷裂壽命越長，當(dāng)應(yīng)力低于某一數(shù)值時，試樣則不斷裂。試樣不斷裂的最大應(yīng)力或應(yīng)力因子稱為氫脆門檻值。試樣的含氫量不同、缺口形狀不同乃至試樣的組織不同均會影響曲線的形狀，試樣的含氫量越低，其氫脆門檻值就越高。應(yīng)力誘發(fā)氫致

2、延遲斷裂屬于低應(yīng)力脆斷，由于與氫的擴(kuò)散和聚集有關(guān)，它無征兆且具有突發(fā)性。朱銘德等［１０］在高強(qiáng)度鈦合金螺栓斷裂失效分析中認(rèn)為鈦合金在冶煉完成后氫含量應(yīng)該是較低的，但經(jīng)了解鋼廠在此批鈦棒材料校直退火時，所用熱處理加熱爐中存在還原性氣氛而使鈦棒滲氫，入廠檢驗時氫含量超標(biāo)達(dá)０．０１９％，后來雖經(jīng)真空退火除氫，但由于棒材的表面情況和在爐中堆放的位置，除氫處理后在此批棒材中還可能存在除氫結(jié)果的不均勻。此鈦合金基本組成相是α＋β又屬高強(qiáng)度的鈦合金，氫在β相中的溶解度比在α相中的溶解度大，隨著時間的推移，氫向該螺紋應(yīng)力集中處擴(kuò)散并聚集，在低于屈服強(qiáng)度的低應(yīng)力作用下往往會在螺栓應(yīng)力集中處產(chǎn)生氫脆裂紋，并不斷地

3、擴(kuò)展，最終發(fā)生低應(yīng)力脆性斷裂，因此原始棒料氫含量過高是螺栓發(fā)生斷裂的原因，在棒材進(jìn)入制造工序之前應(yīng)注重氫含量的檢測。 ２加工過程的影響 鈦合金高鎖螺栓主要制造工藝路線為：頭部鐓鍛—固溶時效處理—螺紋滾壓—機(jī)械加工—表面涂覆—性能試驗。制造工藝過程十分復(fù)雜，過程中影響螺栓使用性能的因素較多。航空航天工業(yè)中使用的鈦合金緊固件，一般采用ＴＣ４、ＴＣ１６等鈦合金線材，由于該鈦合金冷成性能差，不能進(jìn)行常溫鐓鍛成型頭部，鐓鍛采用熱鐓成型，熱鐓溫度的選擇與鐓鍛過程的變形對鈦合金內(nèi)部組織的變化有著重要影響［１１］。研究表明［７］采用局部加熱鐓鍛成型頭部，當(dāng)加熱溫度過高時，在螺栓縱截面內(nèi)引起金相組織變化，如

4、圖３所示，在局部加熱鐓鍛成型頭部的過程中，螺栓縱截面上的３個位置相比，位置１加熱溫度最高，組織內(nèi)部α相呈粗大棒狀形態(tài)，位置２加熱溫度次之，內(nèi)部α相呈現(xiàn)針狀，位置３由于遠(yuǎn)離局部加熱區(qū)域，加熱溫度最低，內(nèi)部組織沒有發(fā)生改變，α相仍然保持為等軸狀，正是由于不恰當(dāng)?shù)木植考訜釡囟?，?dǎo)致在螺栓桿部產(chǎn)生組織的改變，當(dāng)螺栓承受載荷時，容易發(fā)生斷裂，并且斷裂位置位于頭部與桿部交接位置。北京航空材料研究院吳崇周［１３］在熱鐓對ＴＣ１６鈦合金組織和性能的影響的研究中發(fā)現(xiàn)，在熱鐓頭產(chǎn)生劇烈變形的同時，還會產(chǎn)生變形熱，變形熱會使鈦合金螺栓局部溫度有一定程度的升高。ＴＣ１６合金的相變點為８６０℃，在６５０℃、７００℃、７

5、５０℃熱鐓時，由于熱鐓溫度低于相變點較多，熱鐓時的局部溫升不能使合金溫度超過相變點，組織中沒有出現(xiàn)超過相變點的β晶粒和晶界α；但在８００℃、８５０℃熱鐓時，由于熱鐓溫度接近于相變點，熱鐓時的局部溫升就可以使合金溫度超過相變，發(fā)生了β轉(zhuǎn)變［１４］，以此估計變形熱使螺栓頭部的溫度升高約６０℃。當(dāng)鐓制溫度比較高時，熱鐓時的局部升溫使組織發(fā)生轉(zhuǎn)變，等軸組織轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)籃組織，這是在熱鐓過程中應(yīng)該注意的問題。鐓制過程還應(yīng)注意頭部的變形程度，相關(guān)研究表明，工件有可能因變形量過大而導(dǎo)致內(nèi)部晶界開裂，這種開裂所形成的缺陷會在后續(xù)加工過程中進(jìn)一步擴(kuò)大，并逐漸與軸線方向一致，帶有這種缺陷的螺栓甚至在裝配過程中以沿晶斷

6、裂的方式發(fā)生軸向開裂。任翀等［１５］報道了采用全面磨削技術(shù)、螺紋短收尾成型技術(shù)、自動涂覆技術(shù)等已成功解決輕型高鎖螺栓國產(chǎn)化加工。 ３熱處理過程的影響 在工程實踐中，緊固件產(chǎn)品都有強(qiáng)度級別或硬度要求，緊固件熱處理過程是影響產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素之一，鈦合金高鎖緊固件在熱處理過程中容易產(chǎn)生熱處理變形、內(nèi)應(yīng)力、氧化與脫碳等問題。對于熱處理變形問題［１６］，工程實踐中存在認(rèn)識不足的問題，事實上，產(chǎn)品熱處理時，由于受熱應(yīng)力與組織應(yīng)力的作用，產(chǎn)生變形是絕對的，不同規(guī)格的鈦合金緊固件熱處理后變形量不同，一般來說，形狀復(fù)雜、細(xì)長比大、孔徑大的零件變形較大，目前先進(jìn)的熱處理方法只能減小變形，不可能消除熱處理變形

7、。為減小變形可采取的措施有：（１）盡量將熱處理安排在毛坯（冷、熱鐓后）或留有余量的半成品狀態(tài)進(jìn)行；（２）由于細(xì)長比過大的螺栓熱處理后容易產(chǎn)生彎曲變形，加工過程中應(yīng)留有足夠的余量。一般而言，鈦合金緊固件存在內(nèi)應(yīng)力是有百害而無一益的，內(nèi)應(yīng)力的存在不僅破壞高精度零件的尺寸精度的穩(wěn)定性，同時較大的內(nèi)應(yīng)力容易誘發(fā)氫脆，降低鈦合金緊固件的可靠性，縮短其疲勞壽命。因此消除內(nèi)應(yīng)力是應(yīng)重點注意的問題。鈦合金緊固件熱處理過程應(yīng)避免產(chǎn)生氧、氫、氮等污染，特別是氧的污染，在熱處理過程中，固溶加熱基本可以滿足高真空的要求，但冷卻過程是在含氧的水中進(jìn)行，因此存在氧的污染，此時污染層并不深，但在其后的時效過程中，污染層可能

8、繼續(xù)向內(nèi)發(fā)展。趙愛國等［１７］在ＴＣ１６鈦合金自鎖螺母裂紋故障分析中發(fā)現(xiàn)，固溶處理中收口端內(nèi)外表面產(chǎn)生脆性氧污染層，造成該處塑性嚴(yán)重下降，固溶處理后的收口工序過程中，由于緊固件受到收口力的作用，導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生；同時提出嚴(yán)格控制固溶處理時的環(huán)境氣氛或合理調(diào)整制造工序可有效預(yù)防此類故障。 ４頭部金屬流線的影響 工件頭部金屬流線沒有急劇的彎曲和折疊，保持連續(xù)，可以有效消除應(yīng)力集中。如果存在折疊、斷層流線、較粗糙表面等，工件會因應(yīng)力集中而在這些部位產(chǎn)生疲勞裂紋，尤其是在頭部與桿部過渡處，若存在折疊現(xiàn)象，所鐓制的螺栓將成為不合格品。工程實踐證明，產(chǎn)生折疊的原因有：（１）預(yù)鐓時材料已經(jīng)向一側(cè)發(fā)生縱向彎曲

9、，預(yù)鐓變形已經(jīng)顯示出纖維向一個方向折疊，而這個折疊在隨后的精鐓時繼續(xù)受擠壓，形成折疊缺陷。（２）預(yù)鐓變形量過小，終鐓變形量過大大，在工件頭部形成纖維折疊。（３）預(yù)鐓時頭部發(fā)生輕微環(huán)狀屈曲，最后在工件頭部形成一個環(huán)狀。為避免頭部金屬流線對產(chǎn)品性能的影響，應(yīng)加強(qiáng)對預(yù)鐓過程的控制，正確設(shè)計預(yù)鐓形狀。 ５裝配過程及其他因素的影響 裝配過程中鈦合金螺栓光桿損傷也是誘發(fā)斷裂的重要因素之一，龐小超等［１８］研究發(fā)現(xiàn)光桿損傷誘發(fā)斷裂的特征是斷口起源于螺栓光桿部分的磨損區(qū)域，且在螺栓源區(qū)側(cè)面（光桿部分的磨損區(qū)域）存在微裂紋，對同批次裝機(jī)的鈦合金螺栓光桿部位的痕跡進(jìn)行了檢查，均為磨損痕跡。其磨損特征與斷裂螺栓

10、的特征相似，均為螺栓光桿部分一側(cè)磨損，其斜對側(cè)也存在相應(yīng)的磨痕。結(jié)合連接結(jié)構(gòu)和裝配生產(chǎn)時的流程，螺栓與連接副不是垂直接觸，而是呈一定角度，這正與螺栓斷裂的源區(qū)位置相吻合。另外，由于螺栓與連接副并不是垂直接觸，而是呈一定的角度，使得螺栓實際承受的載荷加大，且連接副的孔邊沒有倒角，使得螺栓光桿部位與孔邊接觸位置的磨損加劇，破壞了鈦合金螺栓表面完整性，從而在磨損嚴(yán)重位置萌生疲勞裂紋。因此在加工制造中應(yīng)重視鈦合金螺栓的表面處理，加強(qiáng)潤滑涂層［１９］的質(zhì)量檢測，增強(qiáng)涂層的耐磨性，實現(xiàn)螺栓反復(fù)拆卸。在裝配過程中，應(yīng)盡量避免在零件表面產(chǎn)生機(jī)械損傷［２０，２１］，正確安裝螺栓與連接副，減少螺栓光桿部位與連接副

11、孔邊接觸位置的磨損，同時加強(qiáng)對螺栓光桿部位的磨損的檢測，一旦發(fā)現(xiàn)鈦合金螺栓表面完整性發(fā)生破壞，應(yīng)及時更換。 結(jié)語 （１）鈦合金高鎖螺栓在使用過程中受到剪切力、復(fù)合拉伸應(yīng)力的共同作用，疲勞條帶的存在是斷口最重要的特征，疲勞斷裂形式多數(shù)為疲勞損傷與應(yīng)力腐蝕。（２）在鈦合金高鎖緊固件生產(chǎn)制造過程中，應(yīng)加強(qiáng)原材料氫含量的檢驗和鐓制過程、熱處理過程的工藝控制。調(diào)節(jié)合適的熱鐓成型溫度，保證內(nèi)部組織的穩(wěn)定性與一致性；合理分配預(yù)鐓與精鐓的變形程度，按金屬流動原理盡可能使工件獲得并保持沒有急劇彎曲和折疊的連續(xù)的金屬流線；盡量減少熱處理的變形問題。（３）緊固件在裝配過程中，加強(qiáng)對螺栓光桿部位的磨損的檢測，一旦發(fā)現(xiàn)鈦合金螺栓表面完整性發(fā)生破壞，應(yīng)及時更換。 作者：唐毅劉戰(zhàn)培葛玲張建堂單位：中國航空工業(yè)集團(tuán)公司三六三醫(yī)院瀘州醫(yī)學(xué)院學(xué)院辦公室 上一個文章： 縣域工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展分析下一個文章： 小議航空蓄電池監(jiān)測體系設(shè)計