拧紧力矩对飞行器连接件应力腐蚀的影响分析

张宏飞卢猛

（1. 中国人民解放军陆航部驻洛阳地区军事代表室，河南洛阳 471003；2.中国空空导弹研究院凯迈气源，河南洛阳 471003）

拧紧力矩对飞行器连接件应力腐蚀的影响分析

张宏飞1卢猛2

（1. 中国人民解放军陆航部驻洛阳地区军事代表室，河南洛阳 471003；2.中国空空导弹研究院凯迈气源，河南洛阳 471003）

在应力腐蚀理论基础上，结合强度理论和高压气源产品螺纹强度设计理论，考虑工作气压力、材料性能等参数，建立失效极限状态方程，有针对性的设计验证试验，对应力腐蚀失效件进行了金相组织、微观组织和能谱分析，验证了用于承受气压力螺纹连接件拧紧力矩正确算法的有效性，同时也证明了其在航空航天工程领域的应用价值。

拧紧力矩 螺纹连接 高压气源 应力腐蚀

随着武器装备的不断升级，螺纹连接结构以其独特的优点，在装备的高压气动控制系统中被广泛应用，但在实际使用中应力腐蚀问题也不同程度影响着装备的整体质量。

氢致破裂理论认为，腐蚀过程中产生的H在拉应力的作用下沿晶界扩散进入裂纹尖端区引起氢脆，从而加速了应力腐蚀裂纹的扩展［1］。阳极溶解模型认为高强铝合金的腐蚀机理是电化学性质的［2］，合金在应力和腐蚀介质的作用下，氧化膜被破坏，在拉应力作用下，裸露的基体金属与氧化膜在介质环境中形成小阳极和大阴极的自腐蚀电池，发生阳极溶解［2~3］，促使裂纹较快扩展。

1　理论分析计算

在飞行器的高压气源系统中，螺纹连接结构在起到可靠连接作用的同时，还要起到密封、防松、防应力腐蚀等作用，所在设计计算是要综合考核密封力、防松力和应力腐蚀门槛应力的要求。

1.1允许的最大预紧力

螺纹连接件装配时，在预紧力矩作用下，螺纹连接件除受到预紧力拉伸作用而产生拉伸应力外，还受到螺纹间的摩擦力矩的扭矩作用而产生扭转切应力，此时螺栓处于拉伸与扭转的复合应力状态下。

预紧时，过大的预紧力会使螺纹连接件发生静力破坏，增大应力腐蚀敏感性。根据第四强度理论，可知当有气压力作用时，相当于外加拉伸载荷作用，螺纹连接件上拉应力增大，通过推导可知有气压力作用下螺纹连接件所需的最大预紧力公式［4~5］。

1.2螺纹连接拧紧力矩计算

根据工程经验，用于承受气源压力的飞行器螺纹连接件，在拧紧时，要克服螺纹副间的螺纹力矩和支撑面的摩擦力力矩，于是根据螺纹连接件几何尺寸及工作气压力可以推导出拧紧力矩的工程应用公式。

2　试验方法与结果

利用材料为7A09铝合金制作螺纹副。按照上述理论分析，拧紧力矩应不大于110 N·m。为了验证上述分析的准确性，进行了两种自然腐蚀试验，试件一施加130N·m拧紧力矩内部存贮35MPa氮气，在南海自然环境下540天后出现应力腐蚀失效；试件二施加65N·m拧紧力矩内部存贮35MPa氮气，在南海自然环境下1080天后仍完好。随后对应力腐蚀失效后的试件一分别进行了金相组织分析、显微分析和能谱分析。

对失效件在扫描电镜下观察，试件一中的螺栓断口裂纹从平行于棒材轧制方向一侧的螺纹根部表面起始，该部位以沿晶断裂为主，晶界轮廓不清晰，沿晶面上有腐蚀产物，断口其余部位为沿晶+韧窝混合形貌特征，断面上无明显腐蚀产物。对失效件利用X射线能谱仪进行成分分析表明，沿晶面上腐蚀产物中含有Cl、S腐蚀性元素。对失效件在沿平行于断口平面方向、断口背面磨取金相试样，腐蚀后观察其金相组织正常，未发现组织过烧现象。另外，在断面螺纹根部、断口侧面有大量的腐蚀坑，局部可见氧化膜开裂和多条从腐蚀坑处起始的裂纹特征。

3　分析与讨论

综合试验结果分析，试件一中的螺栓结构件的应力腐蚀试验断口宏观上裂纹起始部位以沿晶断裂特征为主，沿晶面上有腐蚀产物，其中含有Cl、S腐蚀性元素，而断口其余部位为沿晶韧窝混合形貌特征，断面上无明显腐蚀产物，这些表明试件一中的螺栓结构件的断裂性质为应力腐蚀开裂引起的快速脆断。断裂系试件安装拧紧力矩过大，使得螺栓结构件所承受的拉应力远大于门槛值，其表面的氧化膜被腐蚀而受到破坏，破坏表面和未破坏表面分别形成阳极和阴极，阳极处的金属成为离子而被溶解，产生电流流向阴极。由于阳极面积比阴极的小得多，阳极的电流密度很大，进一步腐蚀已破坏的表面。加上气压力的作用，破坏处逐渐形成裂纹，裂纹随时间逐渐扩展直到断裂。

通过试件二的试验可知，合理设计选择螺纹连接件的拧紧力矩，可保证即使该类结构在腐蚀环境中也不容易发生应力腐蚀失效，因此在类似结构设计中必须给予关注。

4　结语

本文是在多年来积累的工程经验和实测数据的基础上，进行归纳总结，通过公式推导和试验验证。结果证明拧紧力矩对飞行器螺纹连接结构件的应力腐蚀有着重要影响，选择合适的拧紧力矩是避免飞行器螺纹连接结构件出现质量问题的有效保证之一，推导出的理论计算公式为飞行器用高压气源系统的螺纹连接结构设计提供了理论参考。

［1］Scanmans G M，Holmyd N J H，Tuck C D S.The mechanism of magnesium segregation in the intergranular stress corosion cracking of aluminium alloys［J］.Corros.Sci.，1987，27（4）：329-347.

［2］Ren G J，Zhao C Y.Electrochemical behaviour inside the stress corosion cracking of aluminum alloy［J］. J.Shenyang.Inst. Techno1.，2002，2l（2）：llO—ll3.

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［4］陶春虎，刘高远，恩云飞，等.军工产品失效分析技术手册［M］.北京：国防工业出版社. 2009： 377 - 381.

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