2A12铝合金外套螺母裂纹分析

杨 平 ， 李 波 ， 胡生双 ， 王文博

（航空工业西安飞机工业（集团）有限责任公司，西安 710089）

0 引言

2A12铝合金因具有的比强度高，延展性好、易加工成型和电性能优良等一系列优点，在航空航天等领域得到广泛应用[1]。铝合金外套螺母是飞机上应用较为广泛的一种标准件，通常用于飞机上氧气导管的连接、固定。外套螺母的结构虽然简单，但对飞机的氧气导管的固定连接起到重要作用，并且影响飞行安全。外套螺母如出现裂纹、断裂，将会导致氧气导管失效，甚至造成严重事故。

外套螺母原材料为2A12铝合金，材料状态为固溶+自然时效，加工工艺流程为：下料→机械加工→热处理→阳极氧化→检验→入库。

2A12铝合金氧气导管外套螺母在飞机服役过程中出现了裂纹。选取该典型故障零件，对裂纹宏观形貌进行观察，并将裂纹打开获取断口进行微观形貌和金相组织分析，同时检测基体化学成分。对测试结果进行分析，判定裂纹产生的环节，分析裂纹的形成原因。

1 试验过程与结果

1.1 外观宏观形貌

从外套螺母导管柱面看，其表面漆层均完好，无损伤痕迹。通过体视显微镜检查，裂纹主要出现在螺母六方前端外圆区（图1a）。对外套螺母六方前端外圆区进行详细检查，在螺母端面可见多处微裂纹，端头裂纹开口较宽，裂纹向螺母六方面延伸（图1b）。从外套螺母端面看，端头局部有多处裂纹，呈分叉状，有的裂纹已穿透端面向轴向延伸（图1c）。端面漆层并不完整，出现局部破损。

图 1 裂纹宏观形貌Fig.1 Macroscopic appearance of crack

1.2 裂纹断口宏观形貌

沿裂纹打开断口，并通过体视显微镜观察与分析，断口宏观形貌如图2所示。可以看出：断口上裂纹区域断面平齐，表面较平坦，呈暗灰色，无明显的塑性变形；沿第一扣螺纹的附近断面向里，可观察到灰白色附着物堆积，程度递减；打断区呈纤维状断口特征，颜色呈亮金属色，呈现塑性变形特征。

图 2 断口宏观形貌Fig.2 Macroscopic appearance of fracture

1.3 裂纹断口微观形貌及能谱分析

进一步通过扫描电镜对裂纹断口进行微观形貌分析。可观察到，断口裂纹区域局部出现附着物聚集（图3a），呈现泥纹状花样（图3b）。对断面上的聚集附着物进行能谱成分分析，除基体元素外，还含有 C、O、Na、Cl、S等腐蚀性元素，对泥纹花样表面进行能谱成分分析，与聚集附着物成分相近，仅含量不同，为腐蚀产物。腐蚀产物膜的物理性质对反应物和产物的传质有较大的影响，因而对材料的电化学行为有着重要的影响。同时，腐蚀产物膜的疏松致密、厚薄及结构和组成等与基体腐蚀的发展密不可分[2-6]。

图 3 断口微观形貌Fig.3 Micro morphology of fracture

采用70%（体积分数）的硝酸水溶液对断口表面进行清洗后再进行观察，断口上的附着物基本清除，第一扣螺纹附近的断面上局部仍有腐蚀产物，该处应为裂纹起源部位，断口向里，表面较平坦，呈沿晶开裂特征（图3c）。扩展区和瞬断区分界明显，瞬断区为韧窝形貌（图3d）。

1.4 金相组织检测

对螺母端面横向切取并制备试样进行观察。未经腐蚀时，端面可见多处裂纹，裂纹呈分叉状（图4a、图4b）。经腐蚀后，显微组织为Al的α固溶体，无过烧，裂纹呈沿晶形貌（图4c、图4d）。这说明外套螺母开裂并不是由2A12铝合金组织缺陷引起的。

图 4 金相组织Fig.4 Metallographic structure

1.5 化学成分分析

对外套螺母的基体材料进行化学成分分析，符合2A12铝合金材料技术要求[7-8]。

2 分析与讨论

通过观察可知，螺母裂纹均起始于螺母端头附近；断口无明显的塑性变形，颜色为暗灰色，裂纹区域的断口表面有附着物，微观呈沿晶开裂形貌。第一扣螺纹的附近断面向里，可见灰白色的附着物，经能谱分析可知，除基体元素外，还含有C、O、Cl、S、Na等腐蚀性元素且含量较高，说明断口表面的附着物为腐蚀产物，且该处的腐蚀物聚集严重，说明裂纹的起源位于此区域。端面上的裂纹呈分叉状，呈沿晶形貌，与裂纹断口的微观形貌相同。从裂纹宏观和断口形貌特征、成分分析结果，并结合金相观察和端头裂纹的形貌特征可判断，外套螺母上的裂纹系应力腐蚀裂纹[9-12]。

由于外套螺母所用的材料为2A12铝合金，状态为固溶+自然时效，因此易产生应力腐蚀的失效行为。外套螺母均是固定导管接头的结构件，通过螺纹紧固以实现导管的连接。当装配连接时，为使导管到达所需的密封性，需要拧紧外套螺母，在端面要与平管嘴配合，螺纹部位要拧紧配合，致使外套螺母的螺纹前几扣和端面部位不仅产生大的轴向应力，而且产生大的周向应力。这样的周向应力状态就成为螺母在这些部位产生应力腐蚀裂纹的主要应力来源。在外套螺母拧紧时，由于端面或螺纹的前几扣均产生较大应力，端头出现变形磨损或螺纹配合磨损，导致此处出现膜层损伤。当外套螺母接触到腐蚀环境时，在腐蚀介质与螺母周向应力的共同作用下，膜层损伤处成为应力腐蚀裂纹源头，并不断地由端面向里的轴向扩展。

3 结论

1）2A12铝合金外套螺母裂纹是应力腐蚀裂纹，裂纹呈分叉状，断口具有泥纹状花样腐蚀产物。

2）在装配连接过程中，外套螺母端面或螺纹处产生的周向应力，是出现应力腐蚀裂纹的主要应力来源。

3）应力腐蚀裂纹源头主要出现在外套螺母的螺纹前几扣和端面部位，端面变形磨损或螺纹配合磨损引起局部膜层损伤和抗腐蚀能力下降，是导致该处成为应力腐蚀裂纹源头的主要原因。