某直升机连接螺栓突然断裂，究竟是什么原因引起的

35Ni4Cr2MoA钢作为一种超高强度合金钢在航空工业领域中有重要作用。该钢中的合金元素镍、铬、钼使钢的过冷奥氏体稳定、淬透性好。35Ni4Cr2MoA钢主要用于制造承受疲劳载荷的关键部件，如重要轴类、对接接头、螺栓及飞机起落架等。

     某型号直升机尾减速器内侧钛合金侧压板在试车时，3件特制高强度连接螺栓发生了断裂，该螺栓的制造工艺流程：下料→镦头→热处理(盐浴淬火+回火)→车削→滚压螺纹→磨削→探伤→清洗→镀铬→包装。螺栓强度要求为1760~2010MPa，硬度要求为48~55HRC，试验安装力矩为50N·m。试验前内侧压板部件如图1所示，螺栓对称布置于内侧压板上。

1.1 宏观观察

      为了便于分析，将断裂螺栓编号为1~3号。断裂螺栓的外观形貌如图2所示，3件螺栓均断裂于光杆部位。由图2可知，螺栓断面洁净，未见氧化、腐蚀迹象，根据放射状裂纹收敛方向可判断裂纹源均位于螺杆表面，其中1号和2号断裂螺栓的裂纹源区附近可见明显的弧形扩展特征。1号和2号断裂螺栓的断面平坦、颜色发暗，整体表现为疲劳断裂。3号断裂螺栓的断面亦平坦，断裂源区位于剪切唇对面，同样表现为疲劳断裂。

图2 断裂连接螺栓宏观形貌

     将上述3件断裂螺栓的裂纹源置于体视显微镜下进行观察，如图3所示，可见裂纹源处的螺栓表面镀铬层均有明显的挤压损伤痕迹。

图3 断裂连接螺栓的裂纹源外表面镀铬层挤压损伤宏观形貌

1.2 断口分析

     鉴于3件螺栓断口形貌类似，因此取1号断裂螺栓采用无水乙醇超声清洗后置于扫描电镜(SEM)下进行观察，如图4所示。可见裂纹源区附近弧形扩展特征明显，这与宏观形貌一致，放大形貌显示裂纹源区位于螺杆表面镀铬层处，镀铬层挤压损伤严重，呈压溃状。断口以压溃处为源，发生多源疲劳断裂。裂纹扩展区呈沿晶断裂形貌，晶界可见鸡爪形态的撕裂棱。瞬断区(剪切唇区)呈韧窝形貌，边缘镀铬层发生脆断。

图4 1号断裂螺栓的断口微观形貌

1.3 金相检验

     在螺栓断口附近取金相试样进行金相检验，如图5所示。可见断裂螺栓的显微组织以均匀分布的板条状回火马氏体为主，奥氏体晶粒度约8级。

图5 断裂螺栓的显微组织形貌

1.4 力学性能试验

     依据GB/T 2975—2018《钢及钢产品 力学性能试验取样位置及试样制备》，在断裂螺栓上制取拉伸试样和硬度试样进行力学性能试验，结果见表2，可见其力学性能均满足技术要求。

表2 断裂螺栓的力学性能试验结果

1.5 氢含量测试

      在断裂螺栓上取样进行氢含量测试，结果见表3，可见断裂螺栓的氢含量符合设计要求。

表3 断裂螺栓的氢含量(质量分数)

     根据上述理化检验结果可知，3件断裂螺栓的力学性能和氢含量均符合设计要求，显微组织无异常。螺栓的断裂性质为多源疲劳断裂，疲劳源均位于螺杆表面镀铬层被压溃处。

      通常，工程上把零件材料的表面状态划分为3个方面：表面应力状态、表面组织结构和表面粗糙度。这3个方面常有机联系在一起，共同作用，难以分割。该断裂螺栓表面采用镀铬处理，表面硬度较高，可有效提高螺栓的疲劳强度；但螺栓与压板内孔采用过渡配合方式，服役过程中可能导致二者之间相互挤压，产生局部应力集中，甚至镀铬层被压溃；镀层破损后，表面粗糙度显著增大，相同的应力水平下，零件的疲劳寿命随着表面粗糙度的增加而降低，对于高强度、低韧性的材料，粗糙度的影响更为明显。因此，螺杆表面镀层被压溃后造成结构损伤，再加上螺杆高强度的特性，使得疲劳性能大幅下降，最终发生早期疲劳断裂。