Page 80 - 理化检验-物理分册2022年第三期

许永春, 等: TC4 钛合金高锁螺栓发生异常双剪断裂原因

升至 36.41kN , 此时螺栓发生断裂。
2 双剪试验
对方案 4 条件下异常双剪断裂的模拟高锁螺栓
为了验证表面污染对 TC4 钛合金双剪性能的 进行显微组织观察和断口分析。如图 5 、 图 6 和图 7
影响, 选取了与异常双剪断裂螺栓同批次的 TC4 钛 所示: 双剪部位存在开裂现象, 开裂部位表层呈灰黑
合金高锁螺栓, 将其加工成直径为 6 mm 的光滑试 色片层状解理断裂的形貌特征, 次表面为颗粒状沿

样, 记为模拟高锁螺栓, 然后按照与异常双剪断裂螺 晶开裂形貌, 灰色区域呈韧窝形貌, 整个断口形貌与

栓相同的固溶温度 940 ℃ , 在空气炉中保温不同时 异常双剪断裂螺栓的相似; 靠近断口区域存在污染
间后, 其表面生成不同厚度的表面污染层, 再以异常 层和显微裂纹。在方案 4 条件下模拟高锁螺栓表面
双剪断裂螺栓相同的时效制度进行处理。每个方案 形成的污染层较厚, 同时存在显微裂纹, 在双剪过程
取 3 个平行试样, 具体热处理制度如表 1 所示。 中, 受到持续的剪切力作用, 导致显微裂纹沿表面污
表 1 模拟高锁螺栓的热处理制度 染层扩展, 使应力释放, 双剪曲线出现直线下降, 而
方案编号 固溶处理 时效处理 后继续在剪切力作用下, 双剪曲线又平滑上升, 直至

1 940 ℃ / 80min+ 水淬 538 ℃ / 480min 螺栓断裂。

2 940 ℃ / 160min+ 水淬 538 ℃ / 480min

3 940 ℃ / 240min+ 水淬 538 ℃ / 480min

4 940 ℃ / 320min+ 水淬 538 ℃ / 480min
依据 GB / T23603-2009 《 钛及钛合金污染层检

测方法》 和 GJB715.26A-2008 《 紧固件试验方法 双

剪》 标准中的试验方法, 分别对不同热处理制度下的
模拟高锁螺栓进行表面污染层厚度测量和双剪试验。
图 5 方案 4 条件下模拟高锁螺栓异常双剪断裂
表 2 不同热处理制度下模拟高锁螺栓的
位置的宏观形貌
表面污染层深度和双剪力
方案 表面污染 双剪力 / kN
平均值
编号 层厚度 / mm
1 2 3
1 0.09 39.86 39.74 39.79 39.80
2 0.17 38.52 38.63 38.49 38.55
3 0.21 38.00 38.16 38.03 38.06
4 0.27 36.36 36.28 36.41 36.35
图 6 方案 4 条件下异常双剪断裂模拟高锁螺栓靠近断口
区域的显微组织形貌
3 分析与讨论
由异常双剪断裂高锁螺栓的断口形貌和显微组
织可知, 其断口表面呈层片状解理断裂的形貌, 心部
为韧窝形貌, 螺栓表面存在较厚的表面污染层和显
图 4 方案 4 条件下模拟高锁螺栓的异常双剪曲线 微裂纹。 TC4 钛合金高锁螺栓通过热处理进行强
由表 2 和图 4 可见: 表面污染层厚度随固溶保 化后才能达到使用要求, 钛金属较为活泼, 在真空环
温时间的增加而逐渐增大, 与固溶保温时间近似呈 境中进行高温固溶处理时, 由于真空度不足, 环境气
线性关系。双剪力随表面污染层厚度的增加而逐渐 氛中存在氧等半径较小的原子在高温作用下扩散至
减小; 在方案 4 条件下进行双剪试验时, 1 件螺栓的 产品表面, 形成富氧 的硬、 脆 污 染 层 [ 6 ] 。有 研 究 表
双剪曲线 出 现 明 显 波 动, 双 剪 力 先 平 滑 上 升 至 约 明, 钛合金表面污染层硬度高、 塑性低, 这会影响材

34kN 后, 突然呈直线下降至 30kN , 然后又平滑上 料的疲劳性能、 断裂韧度和冲击性能 [ 7 ] , 钛合金在急
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