某型航空钮子开关铆钉断裂失效分析 及环境适应性提升

高晶晶，陆楠，夏小春，刘克刚，梅宇飞， 张新健，张艳，杜翠玲

（1.上海航空电器有限公司，上海 201101；2.空装驻上海地区第三军事代表室，上海 201101）

随着武器装备电子产品的系统化、集成化程度越来越高，产品系统所用的材料及零部件越来越多。只要其中一个零部件失效就会导致整个产品系统发生故障，给国家财产和装备人员的生命安全带来巨大威胁。研究表明[1-2]，造成产品失效或故障的环境因素主要有湿度、温度、局部腐蚀性气体及冲击、振动等。产品寿命期内，由温度引起的故障占总故障的20%，由湿度及局部腐蚀性气体等大气环境因素引起的占15%。因此，为了确保武器装备在寿命期内不发生失效或故障，GJB 8892.14—2017《武器装备论证通用要求 第14部分：环境适应性》明确要求武器装备在研制立项综合阶段即需进行环境适应性论证，可见武器装备的环境适应性与其功能性和可靠性一样，都是保障质量的必备要求。

铆钉作为一种制造工艺过程简单、价格低廉并且连接强度稳定可靠的紧固件，在武器装备产品结构的连接中应用广泛。其中，航空武器装备领域使用的金属铆钉材质种类繁多，包括铝及铝合金、碳钢及合金钢、铜及铜合金、钛及钛合金等[3]。其中，铜及铜合金材质具有较强的抗大气腐蚀能力，广泛应用于航空航天领域[4-5]。

某型航空钮子开关在进行环境适应性试验——湿热试验中，按照GJB 150.9A—2009《军用装备实验室环境试验方法第9部分：湿热试验》的要求试验10个周期后，开关中的H62黄铜铆钉发生了断裂。为了保证钮子开关在后续生产、交付各阶段的可靠性及适应自然和诱导环境的能力，对断裂铆钉及其所在的钮子开关进行了宏观、微观形貌及结构表征，全面、系统地分析了其断裂失效的原因，并对航空领域在科研试制和选用铆钉及其他武器装备紧固件时提出了建议和改进措施。

1 断裂铆钉及其所在钮子开关的理化测试

根据GJB 150.9A—2009《军用装备实验室环境试验方法第9部分：湿热试验》要求试验，得到断裂失效铆钉及其所在钮子开关进行湿热试验的湿热循环控制图（见图1）。试验以24 h为1个循环周期，进行15个周期，其中每5个循环周期进行1次性能检测，检测在图1所示的低温30 ℃的时间段内进行。其中，温度下降期间相对湿度可降至85%，其他时间内相对湿度应保持为（95±5）%。

图1 湿热循环控制 Fig.1 Humidity and heat cycle control diagram

1.1 宏观形貌分析

断裂铆钉的钮子开关如图2所示。可以看到，铆钉安装在开关壳体中，处于受拉状态，铆钉从壳体中弹起。卸下铆钉后发现铆钉根部断裂，并且靠近根部区域发黑，如图3所示。采用工业CT（YXLON, Y. Cougar）对其进行X射线透视成像，可以看到铆钉的断裂位置位于开关底部，如图4中虚线框所示。

图2 某型航空钮子开关湿热试验后宏观照片 Fig.2 Appearance of the toggle switch after humidity-heat test

图3 断裂铆钉及其所在钮子开关宏观照片 Fig.3 appearance of the fractured rivet and the toggle switch

图4 断裂铆钉及其所在钮子开关X射线透视图 Fig.4 X-ray perspective view of the fractured rivet and the toggle switch

1.2 化学成分分析

采用电感耦合等离子原子发射光谱仪（ICP-OES, Agilent 5100）对失效铆钉的基材进行化学成分检测，结果见表1。可以看到，铆钉的成分符合GB/T 5231—2012《加工铜及铜合金牌号和化学成分》中黄铜牌号H62的成分要求，杂质含量均比较低。因此可以排除由化学成分不合格引起铆钉断裂失效的可能。

表1 断裂铆钉化学成分检测结果 Tab.1 Chemical composition of the fractured rivet

1.3 铆钉断口宏观分析

铆钉断裂处横向形貌和断口宏观形貌如图5所示。从图4可以看到，铆钉断裂位置为墩头根部，断口附近存在较多裂纹。从图5b可以进一步观察到，失效铆钉断口齐平，未见塑性变形痕迹，断口基本被蓝色腐蚀产物覆盖，断口部分区域有泛光的液态物质存在。结合铆钉的使用工况可知，铆钉的断裂为脆性断裂[6]。

图5 断裂铆钉宏观形貌 Fig.5 Macro morphology of the fractured rivet: a) transverse morphology of the fracture; b) macro morphology of the fracture

1.4 铆钉断口显微分析

铆钉断口微观形貌如图6所示。从图6a可以看到，裂纹从铆钉外表面萌生，向铆钉内部扩展，断口呈解理断裂的典型扇形花样（如图6b所示）。局部放大后可以看到断口微区具有明显的解理台阶，台阶周围分布着大量的颗粒状腐蚀产物（如图6b所示），说明铆钉在腐蚀介质的作用下产生了解理断裂[7]。

1.5 铆钉断口成分分析

采用场发射扫描电镜能谱仪（SEM&EDS SUPRA 55VP&APOLLO X）对铆钉断口（如图6b所示）进行成分分析，如图7所示。可以看到，断口主要由C、O、Cu、Zn 4种元素组成，而正常的H62黄铜为铜锌合金，其元素组成见表1，经对比发现断口表面碳、氧元素含量明显升高，铜、锌元素含量明显降低，说明铆钉在断裂前发生了腐蚀氧化，这也进一步印证了上述中铆钉是在腐蚀介质的作用下产生断裂。

图6 铆钉断口显微形貌 Fig.6 Micro morphology of the fracture

图7 断裂铆钉断口能谱分析 Fig.7 EDS analysis of fracture area of the rivet

1.6 断裂铆钉的金相分析

采用金相显微镜（LV150）对断口组织进行分析，如图8所示。可以看到，铆钉断口组织由α+β相组成，其中浅色基体相为α相，分散在其中的深色相为β相。同时，α相内存在退火孪晶，晶粒较大，而β相则沿轴向分布在α相晶界处。根据JB/T 5108—91《铸造黄铜金相》标准，该金相符合要求，因此可以排除由金相不合格引起铆钉断裂的可能。进一步观察发现，断口附近还存在明显的二次穿晶裂纹，这是应力腐蚀断口的典型显微形貌特征之一。

图8 断裂铆钉断口处金相组织 Fig.8 Metallographic structure of fracture area of the rivet

1.7 壳体成分分析

1.7.1 红外光谱分析

由上文分析可排除由铆钉材质和金相组织不合格引起的铆钉断裂失效，因此需要进一步对铆钉所在壳体进行排查。采用红外显微光谱分析仪（Tesor27& HYPERIONTM2000）对与铆钉断裂位置相接触的钮子开关下壳体进行红外光谱分析，如图9所示。可以看到，下壳体的主要成分为酚醛树脂，酚醛树脂在特定的条件下会释放氨。

图9 钮子开关下壳体红外光谱 Fig.9 Infrared spectral analysis of the lower housing of the toggle switch

1.7.2 壳体离子色谱分析

采用离子色谱仪（ICS1600）进一步检测下壳体在湿热试验中产生的阳离子种类及浓度，结果见表2。为了对比，将壳体在常规储存状态（25 ℃，相对湿度65%）下产生的阳离子种类及浓度列于表中。可以看到，壳体在湿热试验前后均会产生NH4+、Na+、K+、Mg2+及Ca2+五种阳离子。阳离子主要来源于壳体中酚醛树脂的改性剂和填料。壳体经湿热试验后，NH4+浓度为529.41 mol/L，约为常温状态下（5.42 mol/L）的100倍，说明在湿热试验时，壳体会产生大量的NH4+。大量研究表明[8-12]，氨水溶液会使黄铜产生应力腐蚀开裂（SCC）。因此，此处壳体中析出的NH4+可能是使黄铜铆钉断裂失效的原因之一。

表2 壳体中析出阳离子检测结果 Tab.2 Precipitated cationic detection results of the housing mol/L

1.7.3 铆钉静平衡状态应力分析

采用ANSYS有限元仿真分析，分析铆钉在该型钮子开关中静平衡状态时所受应力情况，如图10所示。可以看到，当钮子开关系统处于静平衡状态时，铆钉应力最大位置在墩头部位，为132.79 N，这与实际断裂位置一致（图10中所示）。

图10 铆钉静平衡状态有限元仿真应力分析 Fig.10 Finite element stress analysis of the rivet in static equilibrium

2 讨论与分析

黄铜铆钉材质化学成分合格，金相组织正常，是符合GB/T 5231要求的H62黄铜。断口分析结果显示断口表面覆盖大量腐蚀产物，断口平整，具有明显扇形花样和解理台阶，为脆性解理断裂。以上特征均符合应力腐蚀开裂的显微形貌特征[13]。

SCC产生的3个必要条件为：拉应力、金属的敏感性和特定的腐蚀环境[14]。铆钉装配到开关后处于拉应力状态，具备应力腐蚀的第一个条件。

黄铜在大气中具有良好的耐蚀性[13]，但同时具有较强的应力腐蚀敏感性，并且黄铜的含Zn量越高，SCC性越高，尤其是H70、H68、H62、H59这些Zn含量高的黄铜更容易引起SCC。此时，黄铜铆钉原材料具备发生应力腐蚀的第二个条件。

研究表明，使黄铜产生SCC最严重的腐蚀介质是NH3[6]。当黄铜置于潮湿的NH3环境中，黄铜表面会首先生成晦暗膜（tarnish，Cu2O为主的黑色氧化膜[12]），然后，Cu2O会进一步与空气中的氧气和介质中的NH4+发生反应[9-12]：

式（1）中形成的遇到空气会立即氧化成蓝色的，见式（2）：

同时，黄铜在氨水溶液中，还会发生阳极溶解反应（即黄铜脱锌反应）[15]，如式（3）—（4）：

式（1）—（4）中，氧化膜Cu2O和 Cu(NH3)+2、Zn(NH3)24+质脆，会在黄铜表面形成疏松膜层。当黄铜持续受拉应力时，膜层不断破裂和脱落（即黄铜脱锌），最终导致黄铜制件应力腐蚀开裂[16]甚至失效。

黄铜铆钉材质H62含有35%左右的锌。黄铜铆钉处于含有氨气氛围的潮湿环境中时就具备了发生应力腐蚀的第三个条件，发生公式（1）—（4）的化学反应，最终导致应力腐蚀。

表2离子色谱阳离子检测结果显示，壳体在湿热试验时NH4+浓度达529.41 mol/L。进一步排查开关壳体生产的各环节，发现在酚醛树脂原料中含有六次甲基四胺，六次甲基四胺是绝大多数酚醛树脂原料中不可缺少的添加物，其作用是提升固化速率。六次甲基四胺在壳体成型过程中，不仅会分解出氨气，而且还会产生游离氨残存于壳体中。因此在湿热环境下，黄铜铆钉具备了发生应力腐蚀的第三个条件。

综上分析，黄铜铆钉断裂失效的原因如下：黄铜铆钉处于95%的湿度和30～60 ℃的热交变循环湿热试验中，酚醛壳体受热后不断释放氨气，部分氨气与铆钉表面的水汽结合，生成腐蚀介质——氨水，氨水与受拉应力的黄铜铆钉发生式（1）—（4）的化学反应，最终导致黄铜铆钉在15个湿热试验周期后发生断裂失效。

3 结论与建议

该航空钮子开关中黄铜铆钉断裂是在湿热环境诱导下发生的应力腐蚀断裂。机理过程为：开关壳体在高温高湿环境下释放的氨气与H62黄铜铆钉发生了化学反应，使铆钉表面生成晦暗膜和脱锌疏松层。由于拉应力的存在，膜层不断破裂，脱锌层不断增长，最终导致铆钉发生应力腐蚀断裂。

应力腐蚀断裂是一种具有突发性、不可预测性的脆性破坏，会对产品乃至航空飞行器的安全运行造成灾难性的破坏[17-18]。因此，为了提升航空飞行器和其他武器装备系统的环境适应性，在科研试制和选用铆钉及其他紧固件时可参考以下建议和措施：

1）在铆钉表面喷涂长效硬膜水置换型缓蚀剂[19]，通过缓蚀剂渗透将铆钉表面滞留的水置换出来，并在表面形成防护层，隔绝水汽进入铆接孔或安装孔内。

2）当紧固件材质为黄铜材质时，可在原料中添加稀土元素抑制脱锌[20-21]，提升黄铜及其他对氨敏感的铜合金材质的抗应力腐蚀能力。

3）将黄铜铆钉邻近壳体材料换成无氨的酚醛模塑料，以去除氨的来源。同时，当航空或武器装备紧固件邻近的部件为树脂材质时，尽量选择原材料加工及生产过程中不引入氨的材料。