7075-T73铝合金高锁螺母断裂原因

何 军, 李钧甫, 丁亚红, 罗 庆, 谭 瑶, 李夏雯

(航空工业成都飞机工业(集团)有限责任公司， 成都 610091)

7075铝合金是最早用于航空工业且至今仍被广泛使用的一种超高强度铝合金。该类合金属于Al-Zn-Mg-Cu系的可热处理合金，以锌为主要合金元素，因锌元素在铝合金中有较高的固溶度，使得铝合金经固溶时效后可获得较高的强度。7075铝合金常用的热处理状态有T6，T73，T76和T74，与T6工艺比较，T73作为一种过时效热处理工艺，可使经过时效后的合金具有较高的断裂韧度和优良的耐应力腐蚀及耐剥落腐蚀性能，可满足航空制造的要求，因此T73状态7075铝合金被广泛用于制造对强度和耐腐蚀性能要求较高的零件，如飞机结构中的重要承力件(翼梁、隔框、长锁螺母、高锁螺母)等[1-2]。

某批7075-T73铝合金高锁螺母在装配时，共计3 521件中有5件发生断裂，且断裂形式一致，其装配示意图如图1所示。正常装配时，螺母六方扳拧面在螺母体拧紧且达到安装力矩时会在断颈槽处自动断裂并脱落，此时螺母承载面与螺栓头下承载面夹紧且达到预紧力，完成装配。该批断裂事故发生在高锁螺母装配时，六方扳拧面尚未拧断，螺母体即发生了沿纵向的断裂，且六方扳拧面出现肉眼可见的纵向裂纹，如图2所示。

该零件由根据美标SAE AMS-QQ-A-225-9A：2014AluminumAlloy7075,Bar,Rod,Wire,andSpecialShapes;Rolled,Drawn,orColdFinished采购的7075棒料加工而成，状态为T73，无需热处理。其主要工艺流程为：车铣→分光检测→收口→挑选→清洗→荧光检测→清洗→阳极化→涂十六醇→挑选→终检，其中有色阳极化会使零件表面呈均匀的

图1 高锁螺母装配示意图Fig.1 Assembly diagram of high lock nut: a) before nut tightening; b) after nut installation

图2 高锁螺母断裂示意图Fig.2 Fracture diagram of high lock nut

绿色；根据螺母技术规范的要求，经抽样进行力学性能测试(预紧力、拧紧力矩、锁紧力矩、松脱力矩、抗拉强度)、金相检验(晶间腐蚀、微观组织)、不连续性试验(荧光探伤)等检验合格后交付装配使用。

为找到高锁螺母断裂的原因，消除质量隐患，笔者对断裂件进行了理化检验和分析。

1 理化检验

1.1 宏观观察

在体视显微镜下观察断裂高锁螺母的宏观形貌，如图3所示。可见螺母体完全沿纵向断裂，断口平整，无明显起伏和塑性变形，断口无肉眼可见的缺陷和疲劳弧线，断口整体沿流线方向呈氧化色，未观察到表面绿色阳极化层渗入的情况，如图3a)所示；六方扳拧面上可见纵向贯穿性裂纹，未完全断开，如图3b)所示。

图3 断裂高锁螺母的宏观形貌Fig.3 Macro morphology of broken high lock nut: a) overall morphology of broken nut; b) morphology of crack on hexagon wrench face

1.2 扫描电镜分析

将螺母断口经酒精+超声波清洗后，在扫描电镜(SEM)下观察图3a)中左侧断口，低倍下SEM形貌如图4所示。可见局部新鲜有金属光泽,沿流线呈氧化色,未见明显绿色阳极化层渗入。放大观察发现在螺母体的内表面、心部和外表面断口大部分位置存在导电性较弱的白色物质，呈龟裂形貌，其余为韧窝形貌，如图5所示。

图4 低倍下螺母断口整体SEM形貌Fig.4 SEM morphology of the whole fracture of nut at low magnification

图5 高倍下螺母断口SEM形貌Fig.5 SEM morphology of nut fracture at high magnification: a) morphology of non-conductive substance and craze; b) morphology of local dimples

1.3 金相检验

以轴向横截面为观察面，在断裂螺母上取金相试样并进行镶嵌，按照GB/T 3246.1-2012《变形铝及铝合金制品组织检验方法 第1部分：显微组织检验方法》的技术要求，使用混合酸(HF，HCl，HNO3，H2O的加入量分别为1，1.5，2.5，95 mL)浸蚀15 s后在光学显微镜下观察，其显微组织形貌如图6所示。可见断口的次外表面存在不规则的黑色夹杂物，参考GB/T 10561-2005《钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验法》的评定方法对夹杂物等级进行评定，结果大于B3e，超出该标准要求的范围。

图6 螺母断口附近的显微组织形貌Fig.6 Microstructure morphology near nut fracture: a) low multiple; b) high multiple

同样以轴向横截面为观察面,制备开裂六方扳拧面金相试样，经混合酸浸蚀15 s后在光学显微镜下观察，可见裂纹附近存在贯穿横截面的长条形黑色夹杂物，放大后呈典型的链状不连续形貌，如图7所示。对黑色夹杂物进行评级，结果同样大于B3e，超出GB/T 10561-2005要求的范围。此外，试样上除主裂纹外，均未见由表面向内部沿晶界扩展的二次裂纹；组织正常，未见过烧形貌。

图7 六方扳拧面裂纹附近的夹杂物形貌Fig.7 Inclusions morphology near the crack of hexagon wrench face: a) low multiple; b) high multiple

另取一个装配未断裂件和一个断裂件的六方扳拧面，按GB/T 7998-2005《铝合金晶间腐蚀测定方法》，用溶液(NaCl,H2O2和蒸馏水(或去离子水)的加入量分别为57 g，10 mL，1 L)浸蚀6 h后磨制金相试样，观察其显微组织，可知均无晶间腐蚀现象。

1.4 能谱分析

使用扫描电镜附带的能谱仪对螺母断口进行能谱(EDS)分析，分析位置如图5所示，分析结果如表1所示。可知正常区域主要含有锌、镁和铜元素，为正常的7系列铝合金；龟裂区域以及白色物质则含有较

表1 螺母断口能谱分析结果(质量分数)Tab.1 EDS analysis results of nut fracture (mass fraction) %

高含量的氧元素以及少量的钾、钠、硫和氯元素。

对六方扳拧面金相试样的正常位置和黑色夹杂物分别进行能谱分析，分析位置及结果如图8所示，可知黑色夹杂物元素含量及种类与龟裂区域的基本一致，均有较高含量的氧元素及少量的钾和氯等元素。

图8 六方扳拧面金相试样EDS分析位置和分析结果Fig.8 EDS analysis positions and results of metallographic sample of hexagon wrench face: a) analysis position and b) results of normal position; c) analysis position and d) results of black inclusion

1.5 库存件复查

对供货厂家的库存件进行100%荧光渗透检测，发现部分零件有夹杂物缺陷，缺陷沿轴向呈线性贯穿高锁螺母，如图9所示。带缺陷的高锁螺母经装配后，在螺母体纵向断裂，如图10所示。金相检验发现其微观形貌与上述断裂件的一致，如图11所示。而无缺陷显示正常件的安装断裂形式为断颈槽处自动断裂并脱落，是正常的安装断裂，如图12所示。

图9 库存件荧光渗透检测的缺陷显示形貌Fig.9 Defect display morphology of inventory parts by fluorescent penetrant testing

图10 缺陷螺母装配断裂形貌Fig.10 Assembly fracture morphology of defective nut

图11 缺陷螺母裂纹附近的微观形貌Fig.11 Morphology near the crack of defective nut

图12 无缺陷显示库存件的装配断裂形貌Fig.12 Assembly fracture morphology of inventory parts without defects

2 分析与讨论

常见铝合金的断裂模式包括疲劳断裂、大应力过载断裂、应力腐蚀断裂等[3-8]，不同的断裂模式有对应的断裂特征。

通过对高锁螺母的宏观观察发现断口局部新鲜有金属光泽,主要沿流线呈氧化色。断裂件断口的微观组织中未见沿晶开裂形貌，且是在装配过程中发生的断裂，可排除零件过烧导致强度等力学性能降低的因素，也可排除疲劳断裂的可能性。7075-T73铝合金强度高，有较高的应力腐蚀敏感性。铝合金产生应力腐蚀开裂是拉应力和腐蚀性环境共同作用的，开裂通常会在使用一定时间后才会产生[9]。由于高锁螺母的安装环境没有腐蚀性介质，结合金相检验的结果也可以排除应力腐蚀导致高锁螺母断裂的可能性。

分析正常高锁螺母装配时的受力情况，可知零件正常装配过程中是在螺母断颈槽处断裂，六方扳拧面部分脱落，且螺母体与其相配合的螺栓紧固在被安装位置。而断裂螺母是在断颈槽未拧断的情况下发生纵向断裂，且在六方扳拧面上看到贯穿性裂纹，同时根据库存件的复查结果，可知部分零件有缺陷荧光显示，安装时发生非正常纵向断裂，且缺陷显示件与装配断裂件的断裂模式及微观形貌一致。因此判断该断裂非安装人员操作不当造成。

SEM分析发现螺母体断口的内、外表面及心部位置均存在白色不导电物质，呈龟裂形貌，在金相检验中观察到裂纹附近有黑色夹杂物，对零件断裂面的龟裂形貌和金相试样中的黑色夹杂物进行能谱分析，分析结果一致，均为铝合金氧化物。铝合金氧化物夹杂破坏了材料的连续性，在外载荷作用下，降低了材料的力学性能，而材料抵抗变形能力的差异会在两相界面处产生应力集中，发展成为裂纹源，导致在正常装配过程中发生过载开裂。断裂面未发现有绿色阳极化层渗入，说明高锁螺母的裂纹是在阳极化之后产生的。

根据文献[10]可知，铝合金熔体中常见的固态夹杂物主要是非金属物，包括氧化物、碳化物、氮化物、硼化物等。其中常见的氧化物为Al2O3和MgO，常见的氮化物为AlN，常见的硼化物为TiB2和AlB2，常见的碳化物为Al4C3，根据它们的生成热可知Al2O3夹杂是最容易形成的[10]。根据能谱分析结果可知断裂高锁螺母夹杂物的成分主要是氧元素，由此可判断该夹杂物为Al2O3。金属铸件凝固时夹杂物会在铸件最后的凝固部位聚集，在棒料切尾不足的情况下经后续拉拔会沿拉拔方向呈片状残留在棒料尾部，如果不能及时发现，就易导致后续使用过程中零件失效。

通常对铝合金的缺陷检验方法有低倍检验和超声波检验等，这些方法都可以有效检测出铝合金中的夹杂物缺陷。高锁螺母产品出厂无损检测的荧光渗透方法也是有效检验表面裂纹缺陷的手段。但上述故障产品已流通到使用方，并对使用方整体产品的质量造成了影响。

据进一步了解，判断可能存在因该批产品数量多，在出厂前的荧光渗透无损检测环节出现了漏检情况。

3 结论及建议

高锁螺母装配断裂原因为原材料中存在氧化铝夹杂，在后续拉拔过程中沿拉拔方向呈片状分布，破坏了原材料的连续性，在外载荷的作用下，会在两相界面处产生应力集中，形成裂纹源，导致产品在安装时发生断裂，与产品制造工艺无关。

建议对原材料棒料进行超声波检验，以便识别出夹杂物缺陷。同时严格按照荧光渗透方法进行出厂无损检测。必要时，标准件制造厂家可在生产制造及产品检验中增加适当的监控手段和措施，严格保证检验质量，确保产品不会因各种原因发生漏检。