分享：7075-T73鋁合金高鎖螺母斷裂原因

摘 要:

7075-T73鋁合金高鎖螺母在裝配時發生縱向斷裂。透過宏觀觀察、掃描電鏡分析、能 譜分析以及金相檢驗等方法，結合生產工藝和零件複查結果，對高鎖螺母的斷裂原因進行了分析。 結果表明：原材料中存在氧化鋁夾雜，在裝配應力作用下裂紋起源於氧化鋁夾雜處，並沿厚度方向 擴充套件，最終導致高鎖螺母斷裂。建議增加原材料缺陷檢查工序以及嚴格執行無損檢測工藝，避免此 類故障再次發生。

關鍵詞:

7075-T73鋁合金；高鎖螺母；斷裂；裝配；氧化鋁夾雜；無損檢測

中圖分類號:

TS912+。3

文

獻標誌碼:

B

文章編號:

1001-4012（2020）07-0030-05

7075鋁合金是最早用於航空工業且至今仍被 廣泛使用的一種超高強度鋁合金。該類合金屬於 Al-Zn-Mg-Cu系的可熱處理合金，以鋅為主要合金 元素，因鋅元素在鋁合金中有較高的固溶度，使得鋁 合金經固溶時效後可獲得較高的強度。7075鋁合 金常用的熱處理狀態有 T6，T73，T76和 T74，與 T6 工藝比較，T73作為一種過時效熱處理工藝，可使經 過時效後的合金具有較高的斷裂韌度和優良的耐應 力腐蝕及耐剝落腐蝕效能，可滿足航空製造的要求， 因此 T73狀態7075鋁合金被廣泛用於製造對強度 和耐腐蝕效能要求較高的零件，如飛機結構中的重 要承力件（翼梁、隔框、長鎖螺母、高鎖螺母）等［1-2］。

某批 7075-T73 鋁合金高鎖螺母在裝配時，共 計3521件中有5件發生斷裂，且斷裂形式一致，其 裝配示意圖如圖1所示。正常裝配時，螺母六方扳 擰面在螺母體擰緊且達到安裝力矩時會在斷頸槽處 自動斷裂並脫落，此時螺母承載面與螺栓頭下承載 面夾緊且達到預緊力，完成裝配。該批斷裂事故發 生在高鎖螺母裝配時，六方扳擰面尚未擰斷，螺母體 即發生了沿縱向的斷裂，且六方扳擰面出現肉眼可 見的縱向裂紋，如圖2所示。

該零 件 由 根 據 美 標 SAE AMS-QQ-A-225-9A： 2014Aluminum Alloy7075，Bar，Rod，Wire，and SpecialShapes；Rolled，Drawn，orCold Finished 採購的7075棒料加工而成，狀態為 T73，無需熱處 理。其主要工藝流程為：車銑→分光檢測→收口→挑 選→清洗→熒光檢測→清洗→陽極化→塗十六醇→ 挑選→終檢，其中有色陽極化會使零件表面呈均勻的綠色；根據螺母技術規範的要求，經抽樣進行力學性 能測試（預緊力、擰緊力矩、鎖緊力矩、鬆脫力矩、抗 拉強度）、金相檢驗（晶間腐蝕、微觀組織）、不連續性 試驗（熒光探傷）等檢驗合格後交付裝配使用。

為找到高鎖螺母斷裂的原因，消除質量隱患，筆 者對斷裂件進行了理化檢驗和分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

在體視顯微鏡下觀察斷裂高鎖螺母的宏觀形 貌，如圖3所示。可見螺母體完全沿縱向斷裂，斷口 平整，無明顯起伏和塑性變形，斷口無肉眼可見的缺 陷和疲勞弧線，斷口整體沿流線方向呈氧化色，未觀 察到表面綠色陽極化層滲入的情況，如圖3a）所示； 六方扳擰面上可見縱向貫穿性裂紋，未完全斷開，如 圖3b）所示。

1.2 掃描電鏡分析

將螺母斷口經酒精+超聲波清洗後，在掃描電 鏡（SEM）下觀察圖3a）中左側斷口，低倍下SEM 形 貌如圖4所示。可見區域性新鮮有金屬光澤，沿流線 呈氧化色，未見明顯綠色陽極化層滲入。放大觀察 發現在螺母體的內表面、心部和外表面斷口大部分位置存在導電性較弱的白色物質，呈龜裂形貌，其餘 為韌窩形貌，如圖5所示。

1.3 金相檢驗

以軸向橫截面為觀察面，在斷裂螺母上取金相 試樣並進行鑲嵌，按照 GB/T3246。1-2012《變形鋁 及鋁合金製品組織檢驗方法 第1部分：顯微組織檢 驗方 法 》的 技 術 要 求，使 用 混 合 酸 （HF，HCl， HNO3，H2O 的加入量分別為1，1。5，2。5，95mL）浸 蝕15s後在光學顯微鏡下觀察，其顯微組織形貌如 圖6所示。可見斷口的次外表面存在不規則的黑色 夾雜物，參考 GB/T10561-2005《鋼中非金屬夾雜 物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》的評定方法對夾雜物等級進行評定，結果大於 B3e，超出該標準 要求的範圍。

同樣以軸向橫截面為觀察面，製備開裂六方扳 擰面金相試樣，經混合酸浸蝕15s後在光學顯微鏡 下觀察，可見裂紋附近存在貫穿橫截面的長條形黑 色夾雜物，放大後呈典型的鏈狀不連續形貌，如圖7 所示。對黑色夾雜物進行評級，結果同樣大於 B3e， 超出 GB/T10561-2005要求的範圍。此外，試樣 上除主裂紋外，均未見由表面向內部沿晶界擴充套件的 二次裂紋；組織正常，未見過燒形貌。

另取一個裝配未斷裂件和一個斷裂件的六方扳 擰面，按 GB/T 7998-2005《鋁合金晶間腐蝕測定 方法》，用溶液（NaCl，H2O2 和蒸餾水（或去離子水）的加入量分別為57g，10mL，1L）浸蝕6h後磨製金 相試樣，觀察其顯微組織，可知均無晶間腐蝕現象。

1.4 能譜分析

使用掃描電鏡附帶的能譜儀對螺母斷口進行能 譜（EDS）分析，分析位置如圖5所示，分析結果如表1 所示。可知正常區域主要含有鋅、鎂和銅元素，為正 常的7系列鋁合金；龜裂區域以及白色物質則含有較高含量的氧元素以及少量的鉀、鈉、硫和氯元素。

對六方扳擰面金相試樣的正常位置和黑色夾雜 物分別進行能譜分析，分析位置及結果如圖8所示， 可知黑色夾雜物元素含量及種類與龜裂區域的基本 一致，均有 較 高 含 量 的 氧 元 素 及 少 量 的 鉀 和 氯 等 元素。

1.5 庫存件複查

對供貨廠家的庫存件進行100%熒光滲透檢測， 發現部分零件有夾雜物缺陷，缺陷沿軸向呈線性貫穿 高鎖螺母，如圖9所示。帶缺陷的高鎖螺母經裝配 後，在螺母體縱向斷裂，如圖10所示。金相檢驗發現 其微觀形貌與上述斷裂件的一致，如圖11所示。而 無缺陷顯示正常件的安裝斷裂形式為斷頸槽處自動 斷裂並脫落，是正常的安裝斷裂，如圖12所示。

2 分析與討論

常見鋁合金的斷裂模式包括疲勞斷裂、大應力 過載斷裂、應力腐蝕斷裂等［3-8］，不同的斷裂模式有 對應的斷裂特徵。 透過對高鎖螺母的宏觀觀察發現斷口區域性新鮮 有金屬光澤，主要沿流線呈氧化色。斷裂件斷口的 微觀組織中未見沿晶開裂形貌，且是在裝配過程中 發生的斷裂，可排除零件過燒導致強度等力學效能降低的因素，也可排除疲勞斷 裂 的 可 能 性。7075- T73鋁合金強度高，有較高的應力腐蝕敏感性。鋁 合金產生應力腐蝕開裂是拉應力和腐蝕性環境共同 作用的，開裂通常會在使用一定時間後才會產生［9］。 由於高鎖螺母的安裝環境沒有腐蝕性介質，結合金 相檢驗的結果也可以排除應力腐蝕導致高鎖螺母斷 裂的可能性。

分析正常高鎖螺母裝配時的受力情況，可知零 件正常裝配過程中是在螺母斷頸槽處斷裂，六方扳 擰面部分脫落，且螺母體與其相配合的螺栓緊固在 被安裝位置。而斷裂螺母是在斷頸槽未擰斷的情況 下發生縱向斷裂，且在六方扳擰面上看到貫穿性裂 紋，同時根據庫存件的複查結果，可知部分零件有缺 陷熒光顯示，安裝時發生非正常縱向斷裂，且缺陷顯 示件與裝配斷裂件的斷裂模式及微觀形貌一致。因 此判斷該斷裂非安裝人員操作不當造成。

SEM 分析發現螺母體斷口的內、外表面及心部 位置均存在白色不導電物質，呈龜裂形貌，在金相檢 驗中觀察到裂紋附近有黑色夾雜物，對零件斷裂面 的龜裂形貌和金相試樣中的黑色夾雜物進行能譜分 析，分析結果一致，均為鋁合金氧化物。鋁合金氧化 物夾雜破壞了材料的連續性，在外載荷作用下，降低 了材料的力學效能，而材料抵抗變形能力的差異會在兩相介面處產生應力集中，發展成為裂紋源，導致 在正常裝配過程中發生過載開裂。斷裂面未發現有 綠色陽極化層滲入，說明高鎖螺母的裂紋是在陽極 化之後產生的。

根據文獻［10］可知，鋁合金熔體中常見的固態 夾雜物主要是非金屬物，包括氧化物、碳化物、氮化 物、硼 化 物 等。 其 中 常 見 的 氧 化 物 為 Al2O3 和 MgO，常見的氮化物為 AlN，常見的硼化物為 TiB2 和 AlB2，常見的碳化物為 Al4C3，根據它們的生成 熱可知 Al2O3 夾雜是最容易形成的［10］。根據能譜 分析結果可知斷裂高鎖螺母夾雜物的成分主要是氧 元素，由此可判斷該夾雜物為 Al2O3。金屬鑄件凝 固時夾雜物會在鑄件最後的凝固部位聚集，在棒料 切尾不足的情況下經後續拉拔會沿拉拔方向呈片狀 殘留在棒料尾部，如果不能及時發現，就易導致後續 使用過程中零件失效。

通常對鋁合金的缺陷檢驗方法有低倍檢驗和超 聲波檢驗等，這些方法都可以有效檢測出鋁合金中 的夾雜物缺陷。高鎖螺母產品出廠無損檢測的熒光 滲透方法也是有效檢驗表面裂紋缺陷的手段。但上 述故障產品已流通到使用方，並對使用方整體產品 的質量造成了影響。

據進一步瞭解，判斷可能存在因該批產品數量 多，在出廠前的熒光滲透無損檢測環節出現了漏檢 情況。

3 結論及建議

高鎖螺母裝配斷裂原因為原材料中存在氧化鋁 夾雜，在後續拉拔過程中沿拉拔方向呈片狀分佈，破 壞了原材料的連續性，在外載荷的作用下，會在兩相 介面處產生應力集中，形成裂紋源，導致產品在安裝 時發生斷裂，與產品製造工藝無關。 建議對原 材 料 棒 料 進 行 超 聲 波 檢 驗，以 便 識 別出夾雜物缺陷。同時嚴格按照熒光滲透方法進 行出廠無 損 檢 測。必 要 時，標 準 件 制 造 廠 家 可 在 生產製造及產品檢驗中增加適當的監控手段和措 施，嚴格保證檢驗質量，確保產品不會因各種原因 發生漏檢。

參考文獻：

［1］ 方華嬋，陳康華，巢宏，等。Al-Zn-Mg-Cu系超強鋁合 金的研究現狀與展望［J］。粉末冶金材料科學與工程， 2009，14（6）：351-358。

［2］ 劉兵，彭超群，王日初，等。大飛機用鋁合金的研究現 狀及展望［J］。中國有色金屬學報，2010，20（9）：1705- 1715。

［3］ 李寧。淺談金屬材料的防腐能力改進措施［J］。世界有 色金屬，2016（12）：233-234。

［4］ 張允康，許曉靜，羅勇，等。7075鋁合金強化固溶 T76 處理後的拉伸與剝落腐蝕效能［J］。稀有金屬材料與 工程，2012，41（z2）：612-615。

［5］ 胡桂雲，陳康華，陳送義，等。軌道交通用7003鋁合金 型材失效行為分析［J］。中南大學學報（自然科學版）， 2018，49（4）：802-808。

［6］ 張博，侯學勤。冷卻風扇葉片斷裂分析［J］。失效分析 與預防，2016，11（2）：100-104。

［7］ 潘佔。7050鋁合金端框接頭斷裂原因分析［J］。理化 檢驗（物理分冊），2019，55（7）：498-500。

［8］ 邵百明。變速箱懸置支架開裂失效分析［J］。理化檢驗 （物理分冊），2019，55（11）：795-799。

［9］ 劉繼華，李荻，郭寶蘭。7xxx系列 Al合金應力腐蝕開 裂的研 究 ［J］。腐 蝕 科 學 與 防 護 技 術，2001，13（4）： 218-222。

［10］ 屈苗，劉宇，肖政兵。鋁合金夾雜物基本性質的第一性 原理研究［J］。有 色 金 屬 科 學 與 工 程，2018，9（6）：1- 10。

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期刊論文

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理化檢驗－物理分冊

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56卷

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7期

（pp：30-34）>