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航空零件的種類繁多且設(shè)計復(fù)雜，同時基于航空器高穩(wěn)定性、高速、高安全性的要求，對各個環(huán)節(jié)零部件的設(shè)計、制造、加工和裝配都有著極高的工藝要求與質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)。斷裂是航空零件制造、裝配和服役階段常見的失效形式之一，其中脆性斷裂是一種斷裂前幾乎不產(chǎn)生明顯塑性變形的斷裂方式，往往無任何征兆，對零件的正常使用危害性極大。

脆性斷裂的原因經(jīng)常涉及零件批次性問題，其危害性極大，關(guān)注度高。為明確零件最終斷裂原因，故障分析過程中經(jīng)常耗費大量的時間和人力。以下選取4個典型脆性斷裂案例進行分析，并根據(jù)斷裂原因提出了分析方法和針對性的有效改進措施。

01 案例分析

1.1 不銹鋼螺栓斷裂

某不銹鋼螺栓在使用中經(jīng)常發(fā)生斷裂或出現(xiàn)裂紋，其材料為1Cr17Ni2鋼，主要制造工序為毛坯（模鍛件）→鉗工去毛邊→鉗工→搓絲→中間檢驗→熱處理→無損檢測→成品檢驗。斷裂螺栓宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：螺栓表面完好，無明顯的機械損傷、銹蝕和塑性變形。

將斷裂螺栓斷口試樣置于掃描電鏡（SEM）下觀察，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：螺栓斷口微觀特征一致，裂紋均起源于螺栓表面，裂紋源區(qū)和擴展區(qū)的特征基本相同，均為沿晶特征，晶面上有碳化物顆粒分布。人工打斷螺栓光桿段制造缺口，其斷口也呈沿晶形貌特征。

 對斷裂螺栓進行硬度測試和化學(xué)成分分析，結(jié)果均符合技術(shù)要求。螺栓斷口除剪切唇外，均呈沿晶特征，說明其為脆性斷裂；而且人工打斷斷口也呈脆性斷裂特征，說明其脆性來自螺栓本身。該螺栓的熱處理工藝為（1030±10）℃淬火、480~540℃回火，強度為（1175±100）MPa，螺栓的實際測得強度為1130MPa，滿足技術(shù)要求。根據(jù)《中國航空材料手冊》，1Cr17Ni2鋼有明顯的回火脆性，不宜在400~580℃回火，而螺栓的回火溫度為480~540℃，正好在該溫度范圍。此外，對比回火脆性溫度區(qū)間內(nèi)及脆性溫度區(qū)間外的試樣，回火脆性區(qū)間試樣的沖擊吸收能量為非脆性溫度區(qū)間回火試樣沖擊吸收能量的59%。因此，可以判斷螺栓在回火脆性溫度范圍內(nèi)回火是其脆性斷裂的主要原因，為零件的批次性問題，將問題螺栓未出廠就進行停用處理。后續(xù)要調(diào)整螺栓的回火溫度，避開回火脆性區(qū)間。

1.2 側(cè)滾輪裂紋

某側(cè)滾輪裝配時沒有產(chǎn)生裂紋，在裝配后幾天內(nèi)就產(chǎn)生了裂紋。側(cè)滾輪材料為GCr15鋼，其主要生產(chǎn)工藝流程為：下料→數(shù)控車→熱處理→磨工、車工→中間檢驗→熱處理（低溫回火）→磁粉檢測→表面處理→磁粉檢測→成品檢驗。

 側(cè)滾輪宏觀形貌如圖3所示。由圖3可知：裂紋已在一側(cè)徑向貫穿，裂紋剛健筆直，無明顯塑性變形。在靠近中心孔裂紋一側(cè)的位置可見弧形痕跡（見圖4），可知裂紋從該痕跡處萌生起源。斷口源區(qū)微觀形貌呈沿晶+ 準(zhǔn)解理斷裂特征，還有少量韌窩。沿晶晶面上還可見“雞爪痕”特征的撕裂棱線，未見夾渣、氣孔等冶金缺陷，裂紋源區(qū)SEM形貌如圖5所示。對裂紋源區(qū)進行能譜分析，結(jié)果顯示其成分為正常材料的基體元素，未發(fā)現(xiàn)表面鍍鉻層的滲入。

由于裂紋從弧形痕跡起源，故對該痕跡進行分析，發(fā)現(xiàn)該處存在顆粒物，對痕跡上的顆粒物進行能譜分析，得到其成分主要為Cr元素，無顆粒物的痕跡表面則為材料基體元素Fe，表面痕跡處的鍍層不完整和不致密。側(cè)滾輪裂紋源區(qū)的微觀特征為沿晶+準(zhǔn)解理，呈脆性起源特征，且沿晶晶面可見“雞爪痕”狀的撕裂棱線形貌，斷面上無腐蝕產(chǎn)物，具有典型的氫脆斷口特征；該零件裝配后間隔一段時間產(chǎn)生裂紋，符合氫脆延時開裂的特點，因此其裂紋性質(zhì)為氫脆開裂。

裂紋產(chǎn)生位置存在弧線痕跡，從形貌上觀察該痕跡應(yīng)與零件加工過程中的磨削有關(guān)，磨削不當(dāng)可能使痕跡處產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，使得后續(xù)表面處理電鍍鉻的過程中，氫原子在該處聚集，導(dǎo)致最后發(fā)生氫脆開裂，后續(xù)通過改進和控制磨削工藝解決了該問題。

1.3 自鎖螺母斷裂

某自鎖螺母安裝于工作溫度達400℃的法蘭盤上，材料為30CrMnSiA鋼，主要工藝流程如下：材料檢驗→鉗工→磁粉檢測→機械加工→熱處理→鉗工→磁粉檢測→鉗工→表面處理（鍍鎘鈍化）→自鎖試驗。該自鎖螺母使用一段時間后均出現(xiàn)裂紋，裂紋宏觀形貌如圖6所示。由圖6可知：螺母裂紋均由收口端起裂，沿螺母軸向擴展，裂紋形態(tài)一致。裂紋打開后斷口呈銀灰色，斷面無塑性變形。

將斷口置于掃描電鏡下觀察，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知：整個斷口形貌特征基本一致，未見明顯的斷裂棱線和起源特征，未見初始裂紋和缺陷，斷口均呈脆性沿晶特征，晶面光滑，覆有一層表面膜。對斷口進行能譜分析，結(jié)果顯示斷口存在大量的Cd元素。取與斷裂螺母同批次的未裝配螺母，人工打斷螺母，斷口呈韌窩形貌特征（見圖8），能譜分析結(jié)果顯示斷口材料均為正常元素。

自鎖螺母斷口的宏微觀特征顯示，斷裂無塑性特征，微觀均呈沿晶形貌，屬脆性斷裂。斷面上存在大量的Cd元素，結(jié)合自鎖螺母安裝環(huán)境，判斷其斷裂性質(zhì)為鎘脆，屬于低熔點金屬致脆。為避免該螺母再次發(fā)生斷裂，將其材料選為高溫合金GH4169，同時表面處理工藝采用鍍銀的方式，可確保自鎖螺母不再發(fā)生鎘脆。

1.4 LD5三通接頭開裂

液壓系統(tǒng)的三通接頭材料為LD5鋁合金，其連接方式為非擴口式，在安裝一段時間后，檢查發(fā)現(xiàn)該三通接頭存在裂紋。三通接頭的主要生產(chǎn)工藝流程為：鍛造→熱處理→加工→硫酸陽極化。

經(jīng)過宏觀觀察，發(fā)現(xiàn)裂紋均勻分布在接頭螺紋的端頭處，且均已貫穿管壁（見圖9）。將裂紋打開，在掃描電鏡下觀察斷口，可見泥紋狀的腐蝕產(chǎn)物，能譜分析結(jié)果顯示材料含有O、Cl、S等腐蝕性元素；在螺紋端頭裂紋處截取金相試樣，將試樣置于光學(xué)顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)裂紋由端頭內(nèi)表面向外表面擴展，以沿晶擴展為主，裂紋開口較為明顯（見圖10~11）。裂紋中存在泥紋花樣腐蝕產(chǎn)物，具有沿晶擴展特征，零件材料在含Cl離子的環(huán)境中具有應(yīng)力腐蝕開裂敏感性，同時S元素的存在增大了裂紋沿晶擴展傾向；三通接頭安裝后受拉應(yīng)力作用，綜合判斷三通接頭的開裂性質(zhì)為應(yīng)力腐蝕開裂，屬于環(huán)境介質(zhì)與應(yīng)力共同作用下的開裂，Cl元素和S元素同時存在使得應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象加劇。

開裂的三通接頭通過非擴口形式連接導(dǎo)管，其在裝配過程中發(fā)生開裂，裝配環(huán)境并不惡劣；同時發(fā)現(xiàn)采用擴口式連接的三通接頭均未出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂，兩種連接方式的螺紋受力狀態(tài)不同，所以該三通接頭的應(yīng)力腐蝕開裂原因主要跟應(yīng)力有關(guān)，后續(xù)改進措施為將三通接頭的連接方式改為擴口。

02 綜合分析

（1）上述分析結(jié)果中的回火脆、氫脆、鎘脆和應(yīng)力腐蝕都屬于脆性斷裂失效范疇，其常見斷口特征為沿晶。若斷口處無塑性變形，則不能直接判斷一定為脆性斷裂，因為可能為疲勞斷裂。

（2）零件發(fā)生脆性斷裂與多種因素有關(guān)，包括材料自身特點和環(huán)境等因素，如上述案例中的回火脆屬于前者，而鎘脆（液態(tài)金屬致脆）、氫脆、應(yīng)力腐蝕開裂則屬于后者，如何辨別具體屬于哪種斷裂性質(zhì)，首先應(yīng)從斷口形貌、斷面是否存在腐蝕性花樣、產(chǎn)物和表面鍍層成分來判斷，而更直接的方法是人工打斷獲取斷口，觀察其斷口特征是韌性還是脆性。若為韌性，則說明脆性斷裂跟材料無直接關(guān)系，而是跟環(huán)境介質(zhì)共同作用有關(guān)；若為脆性，說明零件自身已脆化，需復(fù)查該零件的制造流程，特別是熱加工環(huán)節(jié)，以確定脆化的來源。

對于環(huán)境介質(zhì)作用下的脆性斷裂，未必能快速、準(zhǔn)確確定其發(fā)生原因，液態(tài)金屬致脆較易判斷，如案例中的自鎖螺母使用環(huán)境溫度達到400℃以上，表面鍍層卻選擇低熔點的鎘層，使用中鍍層熔化為液態(tài)，并滲入零件基體，使螺母脆化并在工作應(yīng)力下開裂，屬于典型的設(shè)計選材不當(dāng)。而氫脆和應(yīng)力腐蝕開裂的影響因素復(fù)雜，零件發(fā)生氫脆或應(yīng)力腐蝕開裂的前提是所用材料具有敏感性，一般高強度鋼都具有氫脆敏感性。材料在某些環(huán)境下具有應(yīng)力腐蝕敏感性，進而發(fā)生應(yīng)力腐蝕。在該前提下，高強度鋼零件在制造過程中，表面處理（電鍍）時發(fā)生氫的滲入，若后續(xù)除氫不徹底，材料會在持久拉應(yīng)力作用下發(fā)生氫脆開裂，因為氫脆一般跟表面處理電鍍有關(guān)。氫脆發(fā)生的絕大部分原因是零件的批次性問題，往往涉及較多的零件，其防范措施采用過程控制，通過隨槽試樣的氫脆試驗來保證零件質(zhì)量。開展氫脆失效分析時，如果氫脆起源位置存在裂紋、折疊、機械加工損傷、冶金缺陷等，這些缺陷就會破壞零件的連續(xù)性，使零件產(chǎn)生應(yīng)力集中，表面除氫后，殘余氫原子在應(yīng)力作用下在缺陷處聚集，最后在持久應(yīng)力的作用下，材料發(fā)生氫脆破壞，案例中的側(cè)滾輪氫脆開裂就屬于這種情況。側(cè)滾輪氫脆跟起源位置鍍層不完整、不致密有關(guān)，為此排查庫存的該批零件，均未發(fā)現(xiàn)該形貌，模擬裝配后擺放超過200h也無零件發(fā)生開裂，同時已裝配的6件零件只有1件開裂，參考ASTM F519《鍍/ 涂工藝與服役環(huán)境的氫脆力學(xué)性能評估標(biāo)準(zhǔn)試驗方法》，零件往往在裝配使用后較短時間內(nèi)就會發(fā)生氫脆開裂，而已裝配的零件約半年都未失效，這些信息綜合表明側(cè)滾輪氫脆屬于個性案例。此外，氫脆還跟受力有關(guān)，不正常的受力狀態(tài)和載荷會促進氫脆的發(fā)生。

高強度鋁合金鍛件發(fā)生應(yīng)力腐蝕破壞較為常見，應(yīng)力腐蝕開裂原因分析的難點主要是確定是應(yīng)力因素還是環(huán)境因素，一般要結(jié)合失效件發(fā)生失效的時間、使用環(huán)境、受力狀態(tài)和表面處理工藝進行綜合判斷，對于使用時間較短就發(fā)生失效的零件，應(yīng)力的影響可能性較大。但在外場零件應(yīng)力腐蝕開裂分析中，有的是表面防護層受到破壞，使得基體裸露在含有敏感介質(zhì)的環(huán)境中，進而造成應(yīng)力腐蝕破壞，這可能是裝配過程中表面防護層破壞或后期使用維護造成的，可采取裝配后再涂防腐涂料的方式（濕裝配）進行預(yù)防。

由以上脆性斷裂案例進行分析可知：其原因是多方面的，涉及設(shè)計、制造、裝配、使用等環(huán)節(jié)。由于零件脆性斷裂的危險性高，為避免該類事件的發(fā)生，首先在設(shè)計選材時，除考慮強度外，還應(yīng)了解其使用環(huán)境，并合理選擇表面處理工藝，設(shè)計單位應(yīng)多了解零件的失效形式和原因。在零件制造過程中，應(yīng)選用合格的原材料，并正確設(shè)定工藝參數(shù)，以滿足設(shè)計要求；最后在零件裝配、使用時，須了解零件的特性，保證零件正確的裝配狀態(tài)和完好的表面狀態(tài)。零件在“全生命周期”的任何一個環(huán)節(jié)都有可能發(fā)生脆性斷裂，對此要嚴(yán)格執(zhí)行全過程質(zhì)量控制。

03 結(jié)論

（1）應(yīng)采用宏觀與微觀觀察相結(jié)合的方法對零件脆性斷裂進行判定。

（2）脆性斷裂的原因跟多種因素有關(guān)，包括自身材料和環(huán)境介質(zhì)因素，可通過人工打斷獲取的斷口形貌來明確斷裂原因。

（3）脆性斷裂并非均是零件批次性問題造成的，應(yīng)結(jié)合斷裂原因和失效一般規(guī)律，對零件進行處置和改進。

（4）為避免脆性斷裂的發(fā)生，應(yīng)從零件設(shè)計、制造、裝配和使用的“全生命周期”進行嚴(yán)格質(zhì)量控制。

作者：王強，林文欽，王陸增，曾思學(xué)，李俊文，丁力釗，王怡星

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