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1氫含量的影響

氫致延遲斷裂多發生在高強度鋼和α＋β鈦合金中，當其中含有適量的固溶狀態的氫時，在低于屈服強度的應力作用下經過一定時間后會突然脆斷。斷裂壽命與所加應力水平有關，應力越低斷裂壽命越長，當應力低于某一數值時，試樣則不斷裂。試樣不斷裂的最大應力或應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。應力誘發氫致延遲斷裂屬于低應力脆斷，由于與氫的擴散和聚集有關，它無征兆且具有突發性。朱銘德等［10］在高強度鈦合金螺栓斷裂失效分析中認為鈦合金在冶煉完成后氫含量應該是較低的，但經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達0．019％，后來雖經真空退火除氫，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果的不均勻。此鈦合金基本組成相是α＋β又屬高強度的鈦合金，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，氫向該螺紋應力集中處擴散并聚集，在低于屈服強度的低應力作用下往往會在螺栓應力集中處產生氫脆裂紋，并不斷地擴展，最終發生低應力脆性斷裂，因此原始棒料氫含量過高是螺栓發生斷裂的原因，在棒材進入制造工序之前應注重氫含量的檢測。

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—機械加工—表面涂覆—性能試驗。制造工藝過程十分復雜，過程中影響螺栓使用性能的因素較多。航空航天工業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，當加熱溫度過高時，在螺栓縱截面內引起金相組織變化，如圖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，組織內部α相呈粗大棒狀形態，位置2加熱溫度次之，內部α相呈現針狀，位置3由于遠離局部加熱區域，加熱溫度最低，內部組織沒有發生改變，α相仍然保持為等軸狀，正是由于不恰當的局部加熱溫度，導致在螺栓桿部產生組織的改變，當螺栓承受載荷時，容易發生斷裂，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現，在熱鐓頭產生劇烈變形的同時，還會產生變形熱，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℃、750℃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，發生了β轉變［14］，以此估計變形熱使螺栓頭部的溫度升高約60℃。當鐓制溫度比較高時，熱鐓時的局部升溫使組織發生轉變，等軸組織轉變為網籃組織，這是在熱鐓過程中應該注意的問題。鐓制過程還應注意頭部的變形程度，相關研究表明，工件有可能因變形量過大而導致內部晶界開裂，這種開裂所形成的缺陷會在后續加工過程中進一步擴大，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裂的方式發生軸向開裂。任翀等［15］報道了采用全面磨削技術、螺紋短收尾成型技術、自動涂覆技術等已成功解決輕型高鎖螺栓國產化加工。

3熱處理過程的影響

在工程實踐中，緊固件產品都有強度級別或硬度要求，緊固件熱處理過程是影響產品質量的重要因素之一，鈦合金高鎖緊固件在熱處理過程中容易產生熱處理變形、內應力、氧化與脫碳等問題。對于熱處理變形問題［16］，工程實踐中存在認識不足的問題，事實上，產品熱處理時，由于受熱應力與組織應力的作用，產生變形是絕對的，不同規格的鈦合金緊固件熱處理后變形量不同，一般來說，形狀復雜、細長比大、孔徑大的零件變形較大，目前先進的熱處理方法只能減小變形，不可能消除熱處理變形。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進行；（2）由于細長比過大的螺栓熱處理后容易產生彎曲變形，加工過程中應留有足夠的余量。一般而言，鈦合金緊固件存在內應力是有百害而無一益的，內應力的存在不僅破壞高精度零件的尺寸精度的穩定性，同時較大的內應力容易誘發氫脆，降低鈦合金緊固件的可靠性，縮短其疲勞壽命。因此消除內應力是應重點注意的問題。鈦合金緊固件熱處理過程應避免產生氧、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，污染層可能繼續向內發展。趙愛國等［17］在TC16鈦合金自鎖螺母裂紋故障分析中發現，固溶處理中收口端內外表面產生脆性氧污染層，造成該處塑性嚴重下降，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，導致裂紋產生；同時提出嚴格控制固溶處理時的環境氣氛或合理調整制造工序可有效預防此類故障。

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，可以有效消除應力集中。如果存在折疊、斷層流線、較粗糙表面等，工件會因應力集中而在這些部位產生疲勞裂紋，尤其是在頭部與桿部過渡處，若存在折疊現象，所鐓制的螺栓將成為不合格品。工程實踐證明，產生折疊的原因有：（1）預鐓時材料已經向一側發生縱向彎曲，預鐓變形已經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受擠壓，形成折疊缺陷。（2）預鐓變形量過小，終鐓變形量過大大，在工件頭部形成纖維折疊。（3）預鐓時頭部發生輕微環狀屈曲，最后在工件頭部形成一個環狀。為避免頭部金屬流線對產品性能的影響，應加強對預鐓過程的控制，正確設計預鐓形狀。

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斷裂的重要因素之一，龐小超等［18］研究發現光桿損傷誘發斷裂的特征是斷口起源于螺栓光桿部分的磨損區域，且在螺栓源區側面（光桿部分的磨損區域）存在微裂紋，對同批次裝機的鈦合金螺栓光桿部位的痕跡進行了檢查，均為磨損痕跡。其磨損特征與斷裂螺栓的特征相似，均為螺栓光桿部分一側磨損，其斜對側也存在相應的磨痕。結合連接結構和裝配生產時的流程，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，從而在磨損嚴重位置萌生疲勞裂紋。因此在加工制造中應重視鈦合金螺栓的表面處理，加強潤滑涂層［19］的質量檢測，增強涂層的耐磨性，實現螺栓反復拆卸。在裝配過程中，應盡量避免在零件表面產生機械損傷［20，21］，正確安裝螺栓與連接副，減少螺栓光桿部位與連接副孔邊接觸位置的磨損，同時加強對螺栓光桿部位的磨損的檢測，一旦發現鈦合金螺栓表面完整性發生破壞，應及時更換。

結語

（1）鈦合金高鎖螺栓在使用過程中受到剪切力、復合拉伸應力的共同作用，疲勞條帶的存在是斷口最重要的特征，疲勞斷裂形式多數為疲勞損傷與應力腐蝕。（2）在鈦合金高鎖緊固件生產制造過程中，應加強原材料氫含量的檢驗和鐓制過程、熱處理過程的工藝控制。調節合適的熱鐓成型溫度，保證內部組織的穩定性與一致性；合理分配預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，加強對螺栓光桿部位的磨損的檢測，一旦發現鈦合金螺栓表面完整性發生破壞，應及時更換。

作者：唐毅劉戰培葛玲張建堂單位：中國航空工業集團公司三六三醫院瀘州醫學院學院辦公室