螺栓是發(fā)動機中的重要連接件,，對發(fā)動機的穩(wěn)定運行起著重要作用,。它是航空發(fā)動機渦輪盤的固定螺釘。 螺栓,，不僅要承受較高的工作溫度,，還要承受高轉速帶來的高載荷。某型航空發(fā)動機試車1382小時后,，拆開檢查，發(fā)現(xiàn)低壓二級渦輪盤上的一個螺栓斷裂,。裂紋,。螺栓采用GH4698變形高溫合金，其生產(chǎn)工藝為:切割下料→熱處理(第一次固溶+第二次固溶)固溶+時效)→機加工→滾絲→熒光檢驗,。發(fā)動機裝配時,，用螺栓插入渦輪盤和擋圈的通孔，螺栓固定在渦流中,。在輪盤的另一側,，相應位置用墊圈(1Cr18Ni9Ti材質)和鎖緊螺母(GH4033材質)固定。工作溫度為在560℃~580℃時,，螺母的擰緊力矩為7.84 +1.96 N.m,，如圖1所示。

宏觀檢查 螺栓的斷裂位置位于螺栓頭部螺紋的起始位置,，基本位于墊圈和螺母的連接處,，如圖2(a)所示。螺絲完整的螺栓形態(tài)見圖2(b),。拆開斷裂的螺栓組件后,，可以看到整個截面比較平整，基本呈現(xiàn)沿晶斷裂形貌,，如圖3所示,。圖3裂紋源區(qū)(A區(qū))分布在螺紋底部的圓周上，呈深灰色氧化色,，裂紋朝向螺栓內部擴展,；擴充存儲區(qū) (B)區(qū)約占全斷面面積的60%，斷面粗糙,；中心區(qū)(C區(qū))為瞬時斷層區(qū),，呈纖維狀，淡黃色,。

從螺栓側面看,，發(fā)現(xiàn)螺栓在靠近橫截面處沒有明顯的頸縮變形或微裂紋,，斷口兩側的斷口可以完全一致。在螺栓擋圈的圓周上,，裂紋側的表面形貌與非裂紋側明顯不同,，裂紋側的圓周表面是新鮮的。金屬的亮色,，而無裂紋一側金屬的亮色已經(jīng)基本磨損,，如圖4。觀察墊圈,，您可以看到左右兩側的壓痕形貌有明顯差異,，如圖5所示。

斷裂分析 掃描電鏡(SEM)顯示,，源區(qū)附近沒有明顯的冶金夾雜等缺陷,，如圖6(a)所示。源區(qū)域的橫截面是類似的解決方案,。形貌上,，局部可見疲勞帶，如圖6(b)所示,。膨脹區(qū)有明顯的沿晶次生裂紋,，如圖6(c)瞬時斷裂區(qū)c。它是解理狀斷口形貌,，如圖6(d)所示,。

微觀結構檢查 沿著縱剖面對斷口取樣，并研磨至高倍放大,。在截面附近沒有發(fā)現(xiàn)冶金缺陷,，但是可以看到明顯的沿晶二次裂紋和晶粒學位是ASTMNo。0-1,，如圖7所示,。

檢查螺紋情況，可見螺紋未斷部分完整性良好,，無明顯加工缺陷,。見圖8(a)，其他部分正常,。檢驗未斷裂螺栓的微觀結構,。從圖8(b)可以看出，正常螺栓的晶粒度明顯小于斷裂螺栓,，其晶粒度在ASTM 3-4級,。

分量分析 用ICP-OES法分析斷裂螺栓的化學成分，結果符合要求，如表1所示,。

分析和討論 通過對斷裂螺栓的檢驗,，螺栓斷裂特征為疲勞斷裂。一般情況下,，裝配時,，螺母擰緊鎖緊，產(chǎn)生螺栓,。軸向拉伸應力,、螺栓擋圈裝配段圓周兩側明顯的壓痕差異和墊圈兩側不同的壓痕形貌都表明斷裂部分裝配后螺栓受到一定的徑向剪應力，即螺栓在裝配時裝配不當,。 一般來說,，材料的粒度越細，材料的強度越高,。在高溫下,，晶界將成為合金的薄弱環(huán)節(jié)，因此,，粗晶材料在高溫下的蠕變極限和持久強度高于細晶材料,。GH4698是一種鎳基高溫合金,，通常在750-800℃以上工作時,，其沿晶強化起主要作用，螺栓的工作溫度為560-580℃,，此時仍以晶界強化為主,。主要是，但是晶粒粗大導致晶界長度短,，晶界強化弱,，在應力作用下會導致沿晶斷裂，螺栓是材質,。 質量符合要求,，但與普通螺栓相比，晶粒度較粗,，在ASTM No 0-1級,，而普通螺栓的晶粒度在ASTM No。3-4級,，所以螺栓晶粒粗大也是斷裂的不利因素,。相關研究表明，在軸向應力和剪應力的共同作用下,，構件的各項力學性能會明顯下降,，高達40%的減少。發(fā)動機試車時,，螺栓受到軸向應力,、徑向應力和發(fā)動機振動的共同作用,。 裂紋源產(chǎn)生在螺紋齒的底部，疲勞在小范圍內擴展,。由于材料的晶粒粗大,，裂紋在擴展區(qū)沿晶粒迅速擴展。最后,，一個瞬間的斷裂發(fā)生在中心,。

預防和改進措施 通過細化裝配操作，可以在一定程度上避免因裝配不當而產(chǎn)生的剪切應力,。在現(xiàn)有技術中,，沒有測量螺栓的晶粒尺寸。 每批成品螺栓零件的晶粒度差別很大,。通過對熱處理系統(tǒng)的改進,，原熱處理系統(tǒng)(1120 ℃×8h，空冷+1000 ℃×4 h,，空冷+775 ℃×16 h,，空冷)調整為(1110 ℃×2 h，空冷+1000 ℃×4 h,，空冷,。 +775 ℃×16 h，空冷),，并提高晶粒度要求(ASTMNo,。2-6級)以調節(jié)熱處理后的晶粒尺寸和機械性能。以及熱處理過程的穩(wěn)定性,，結果如表2所示,。從表中可以看出，調整后的熱處理能夠滿足相關技術要求,。由于晶粒細化,，螺栓的性能如室溫硬度和抗拉強度得到提高，但高溫(750℃)性能下降,。以上分析結果也是一致的,。同時進行了安裝試驗，螺栓沒有出現(xiàn)裂紋或斷裂,。

結論 (1)斷裂螺栓疲勞斷裂的失效性質,，斷裂特征主要是沿晶斷裂，裝配時較大的剪應力為斷裂的主要原因,； (2)斷裂螺栓的粗大晶粒促進了裂紋的沿晶快速擴展,，是螺栓斷裂的不利因素之一。 (3)細化裝配要求，減少剪應力的產(chǎn)生,；調整熱處理制度,，細化晶粒，提高合金的使用性能,。