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摘要：针对某型装备电机螺钉断裂情况，从宏观和微观形貌角度进行失效分析。结果表明，断裂螺钉的成分及机械性能符合标准，金相组织正常，断裂的可能原因是潮湿氨引起的应力腐蚀断裂。
关键词：装备；螺钉；断裂；失效分析
Keywords：equipment；screw；fracture；failure analysis
1 概述
电机是某型装备舵系统的重要组成部分，用于为舵面转动提供动力。电机电枢外圆与定子上磁钢内表面之间的间隙为0.8mm，平垫的厚度为0.025～0.35mm，弹垫的厚度为0.5～1mm；弹垫为不锈钢材料，带有磁性，掉落在电机内部将吸附在磁钢表面，电机通电工作的情况下可能造成电枢与定子发生扫膛，电机工作转速降低，工作电流增大，电枢绕组温度升高，严重时甚至会导致电枢烧毁，电机停转，从而使得舵机无法做出正确的姿态调控，导致装备异常坠毁。为了摸清螺钉断裂机理，避免舵系统故障带来的质量安全隐患，有必要对螺钉断裂原因进行失效分析。
2 故障分析
2.1 宏观分析
电机螺钉断裂如图1所示，螺钉牌号规格为GB/T 67-2000 M2×4（H62），与弹簧垫圈、普通垫圈配合使用，固定电刷组件焊片与引出线焊片。断裂发生在螺钉头和螺杆过渡位置根部。宏观形貌分析表明，垫片一面可见一圈接触痕迹和轻微塑性变形，如图2所示；螺钉断裂发生在头部与杆部转接部位，断口呈黄铜色，无明显的塑性变形和剪切唇特征，断口边缘存在大量黑色附着物；使用无水乙醇结合超声波清洗后附着物基本消失，清洗后断口呈黄铜色，无明显的颜色差异。
2.2 微观分析
通过电镜观察发现，螺钉断口清洗前均可见大量附着物，附着物在二次电子图像中具有荷电效应（呈白亮色），在背散射电子图像中呈黑色，放大后附着物呈泥状，如图3a）所示；螺钉断口清洗后附着物基本消失，断口背散射电子图像颜色均匀，未出现缺陷现象，如图4a）所示，各区域均未见明显的腐蚀产物，如图4所示；断口微观形貌：结晶状断口区均为沿晶加解理形貌，纤维状断口区均以解理为主，断口未见疲劳特征，如图3b）、图3c）和图4b）、图4c）所示。
2.3 能谱分析
经能谱分析，螺钉断口上的附着物主要含C、O元素和少量N、S、Cl腐蚀性元素；清洗前后的断口的结晶状区、纤维状区、表面的能谱成分较接近，主要含Cu、Zn、O元素，合金元素含量与H62材料接近。
2.4 金相组织分析
磨制螺钉头部断口位置的纵向金相试样，在断面位置附近可见少量沿晶和穿晶裂纹，裂纹存在分叉现象，如图5a所示。开槽位置可见大量流变线，说明螺钉经过冲压或者挤压加工，导致α相产生较大形变，晶粒变小、拉长，且β相也沿加工方向分布，如图5b）所示，因此螺钉头部与螺杆的过渡位置成为螺钉的薄弱点。
2.5 硬度测试
对刻蚀前的断裂螺钉金相试样进行维氏硬度测试，平均硬度为221HV（见表1），根据GB/T 9098.10-1993《紧固件机械性能 有色金属制造的螺栓、螺钉、螺柱和螺母》，该螺钉的性能等级为CU2，最小抗拉强度为440MPa。通过GB 3771-1983《铜合金硬度与强度换算值》进行换算可得，黄铜棒材206HV对应抗拉强度为706MPa，证明该螺钉的性能等级符合标准要求。
2.6 综合分析
螺钉头断口呈黄铜色，无明显的塑性变形和剪切唇特征，清洗后断口呈黄铜色，无明显的颜色差异。螺钉配套的垫片发现接触痕迹和轻微塑性变形，说明螺钉安装后存在一定的紧固力。螺钉断裂发生在头部与杆部转接部位，该位置存在应力集中。微观形貌表明，结晶状断口区为沿晶加解理形貌，纤维状断口区以解理为主，断口未见疲劳特征；断口清洗后，各区域均未见明显的腐蚀产物。金相組织分析表明，在断面位置附近可见少量沿晶和穿晶裂纹，裂纹存在分叉现象。因此，螺钉断裂的性质为应力腐蚀断裂。
能谱分析表明，螺钉断口主要含Cu、Zn、O元素，合金元素含量与H62材料接近，螺钉能谱成分与规定相符。螺钉基体组织为α+β相，金相组织未见异常。螺钉头断口边缘存在大量黑色附着物，附着物使用无水酒精加超声波清洗后基本消失；附着物在二次电子图像中具有荷电效应（呈白亮色）、在背散射电子图像中呈黑色，放大后附着物呈泥状；两个断口上的附着物均主要含C、O元素和少量N、S、Cl腐蚀性元素，附着物为外来物而非腐蚀产物。断口清洗后背散射电子图像颜色均匀，未见缺陷显示，螺钉断裂与缺陷无关。螺钉平均硬度为221HV，对应抗拉强度为706MPa，符合标准要求。
此外，黄铜存在季裂现象，原因是潮湿大气中所含的微量氨在黄铜表面冷凝成氨水溶液层，黄铜受到氨水溶液的腐蚀和自身内部存在的残余应力的共同作用。黄铜在潮湿氨环境中的腐蚀产物为基体的氧化物，检测不到腐蚀性元素，与故障现象较相似。
3 结论
综上分析，得出以下结论：
1）断裂的螺钉能谱成分与标准规定相符，金相组织未见异常；
2）断裂的螺钉试样平均硬度为221HV，其性能等级符合标准要求；
3）螺钉断裂的性质为应力腐蚀断裂；
4）螺钉应力腐蚀产生的原因可能主要与潮湿氨环境有关。
作者简介
索鸿飞，助理工程师，主要从事装备总体修理技术研究工作。
关键词：装备；螺钉；断裂；失效分析
Keywords：equipment；screw；fracture；failure analysis
1 概述
电机是某型装备舵系统的重要组成部分，用于为舵面转动提供动力。电机电枢外圆与定子上磁钢内表面之间的间隙为0.8mm，平垫的厚度为0.025～0.35mm，弹垫的厚度为0.5～1mm；弹垫为不锈钢材料，带有磁性，掉落在电机内部将吸附在磁钢表面，电机通电工作的情况下可能造成电枢与定子发生扫膛，电机工作转速降低，工作电流增大，电枢绕组温度升高，严重时甚至会导致电枢烧毁，电机停转，从而使得舵机无法做出正确的姿态调控，导致装备异常坠毁。为了摸清螺钉断裂机理，避免舵系统故障带来的质量安全隐患，有必要对螺钉断裂原因进行失效分析。
2 故障分析
2.1 宏观分析
电机螺钉断裂如图1所示，螺钉牌号规格为GB/T 67-2000 M2×4（H62），与弹簧垫圈、普通垫圈配合使用，固定电刷组件焊片与引出线焊片。断裂发生在螺钉头和螺杆过渡位置根部。宏观形貌分析表明，垫片一面可见一圈接触痕迹和轻微塑性变形，如图2所示；螺钉断裂发生在头部与杆部转接部位，断口呈黄铜色，无明显的塑性变形和剪切唇特征，断口边缘存在大量黑色附着物；使用无水乙醇结合超声波清洗后附着物基本消失，清洗后断口呈黄铜色，无明显的颜色差异。
2.2 微观分析
通过电镜观察发现，螺钉断口清洗前均可见大量附着物，附着物在二次电子图像中具有荷电效应（呈白亮色），在背散射电子图像中呈黑色，放大后附着物呈泥状，如图3a）所示；螺钉断口清洗后附着物基本消失，断口背散射电子图像颜色均匀，未出现缺陷现象，如图4a）所示，各区域均未见明显的腐蚀产物，如图4所示；断口微观形貌：结晶状断口区均为沿晶加解理形貌，纤维状断口区均以解理为主，断口未见疲劳特征，如图3b）、图3c）和图4b）、图4c）所示。
2.3 能谱分析
经能谱分析，螺钉断口上的附着物主要含C、O元素和少量N、S、Cl腐蚀性元素；清洗前后的断口的结晶状区、纤维状区、表面的能谱成分较接近，主要含Cu、Zn、O元素，合金元素含量与H62材料接近。
2.4 金相组织分析
磨制螺钉头部断口位置的纵向金相试样，在断面位置附近可见少量沿晶和穿晶裂纹，裂纹存在分叉现象，如图5a所示。开槽位置可见大量流变线，说明螺钉经过冲压或者挤压加工，导致α相产生较大形变，晶粒变小、拉长，且β相也沿加工方向分布，如图5b）所示，因此螺钉头部与螺杆的过渡位置成为螺钉的薄弱点。
2.5 硬度测试
对刻蚀前的断裂螺钉金相试样进行维氏硬度测试，平均硬度为221HV（见表1），根据GB/T 9098.10-1993《紧固件机械性能 有色金属制造的螺栓、螺钉、螺柱和螺母》，该螺钉的性能等级为CU2，最小抗拉强度为440MPa。通过GB 3771-1983《铜合金硬度与强度换算值》进行换算可得，黄铜棒材206HV对应抗拉强度为706MPa，证明该螺钉的性能等级符合标准要求。
2.6 综合分析
螺钉头断口呈黄铜色，无明显的塑性变形和剪切唇特征，清洗后断口呈黄铜色，无明显的颜色差异。螺钉配套的垫片发现接触痕迹和轻微塑性变形，说明螺钉安装后存在一定的紧固力。螺钉断裂发生在头部与杆部转接部位，该位置存在应力集中。微观形貌表明，结晶状断口区为沿晶加解理形貌，纤维状断口区以解理为主，断口未见疲劳特征；断口清洗后，各区域均未见明显的腐蚀产物。金相組织分析表明，在断面位置附近可见少量沿晶和穿晶裂纹，裂纹存在分叉现象。因此，螺钉断裂的性质为应力腐蚀断裂。
能谱分析表明，螺钉断口主要含Cu、Zn、O元素，合金元素含量与H62材料接近，螺钉能谱成分与规定相符。螺钉基体组织为α+β相，金相组织未见异常。螺钉头断口边缘存在大量黑色附着物，附着物使用无水酒精加超声波清洗后基本消失；附着物在二次电子图像中具有荷电效应（呈白亮色）、在背散射电子图像中呈黑色，放大后附着物呈泥状；两个断口上的附着物均主要含C、O元素和少量N、S、Cl腐蚀性元素，附着物为外来物而非腐蚀产物。断口清洗后背散射电子图像颜色均匀，未见缺陷显示，螺钉断裂与缺陷无关。螺钉平均硬度为221HV，对应抗拉强度为706MPa，符合标准要求。
此外，黄铜存在季裂现象，原因是潮湿大气中所含的微量氨在黄铜表面冷凝成氨水溶液层，黄铜受到氨水溶液的腐蚀和自身内部存在的残余应力的共同作用。黄铜在潮湿氨环境中的腐蚀产物为基体的氧化物，检测不到腐蚀性元素，与故障现象较相似。
3 结论
综上分析，得出以下结论：
1）断裂的螺钉能谱成分与标准规定相符，金相组织未见异常；
2）断裂的螺钉试样平均硬度为221HV，其性能等级符合标准要求；
3）螺钉断裂的性质为应力腐蚀断裂；
4）螺钉应力腐蚀产生的原因可能主要与潮湿氨环境有关。
作者简介
索鸿飞，助理工程师，主要从事装备总体修理技术研究工作。