CC BY
121
серия Аэромеханика и прочность
УДК 629.7.028
ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗРУШЕНИЯ СТЫКОВОЧНЫХ БОЛТОВ
В.Ю. ВАСИЛЬЕВ, Г.Е. ГАЛАГАН, А.В. СЕМИН, В.С. ШАПКИН
По заказу редакционной коллегии
Проведены комплексные физико-химические исследования разрушения стыковочных болтов. Выявлено присутствие коррозионно-активной среды, содержащей хлорид-ионы, ее воздействие вызвало локальную коррозию болтов. Обнаружили хрупкий подрыв очаговых зон, инициированный коррозионными и трибохимическими процессами.
При плановом техническом осмотре самолета 1990 года выпуска обнаружены разрушенные стыковочные болты. Наработка самолета на момент осмотра 7140 полетов составляет 17277 летных часов. Предварительной версией разрушения болтов было недостаточное усилие затяжки при постановке болтов, однако присутствие ржавчины в местах крепления позволило предположить вклад коррозионных процессов в разрушение.
Во всех представленных болтах трещина развивалась по радиусу Я перехода головки в тело (стержень) болта. Внешний вид изломов болтов № 26, № 27, № 28 отличался, но развитие разлома носило схожий характер: на каждом разрушенном болте наблюдается протяженная зона усталостной трещины и зона долома. Болты № 23 и № 25 были неразрушены и имели раскрытые трещины, болт № 25 сильно перекошен, что свидетельствует о высокой неоднородной концентрации напряжений, в том числе и изгибающих. Следы коррозии вокруг мест постановки болтов представлены на рис. 1.
Для исследования структуры и особенностей коррозионного разрушения болтов использовали современные физические и физико-химические методы.
Структуру болтов изучали на двух типах световых микроскопов: МБС - 10, с увеличением 8-20 крат и на металлографическом микроскопе немецкой фирмы Не1ши1Нипё со встроенным цифровым фотоаппаратом, благодаря которому увеличение этой пары составляло до 700 крат.
Для проведения металлографических исследований образцы вырезали из болтов абразивным диском с водным охлаждением. Полученные образцы подвергалась шлифовке, затем полировке.
Рис. 1. Следы коррозии вокруг мест постановки болтов
Методика
Мезотопография поверхности разрушения была получена с использованием автоматического лазерного бесконтактного трехмерного профилографа, который вводит в компьютер трехмерную картину поверхности с разрешением 10 мкм по каждой координате. Общий ход предметного столика по каждой координате до 15 мм. Это дает возможность получить профилограммы излома (траектории распространения трещины) в любой части сечения болта.
Микрорентгеноспектральный анализ проводился энергодисперсионным анализатором Genesis 2000 фирмы EDAX детектором Sapphire со сверхтонким бериллиевым окном, сосудом Дьюара 2,5 л и автоматической защитой от перегрева с неограниченным количеством циклов размораживания, (жидкий азот заливается непосредственно перед работой). Спектральное разрешение: не ниже 132 эВ по Ка линии марганца; не ниже 65 эВ по К линии фтора. Диапазон анализируемых элементов: от бериллия до урана. Аналитическая дистанция 10 мм. Соотношение пик/фон не хуже 20000:1. Площадь детектора 10 мм2. Скорость счета на входе более 500000 имп/с. Точность определения химического состава составляет 2 %, а чувствительность -
0,01 %.
Данные о содержании водорода в образцах были получены методом горячей экстракции в кварцевом тигле по теплопроводности на газоанализаторе фирмы LECO, модель RH-402, с анализатором ТСН600. TCH600 - анализатор, построенный на базе встроенного микропроцессора, работающего под управлением программного обеспечения, который одновременно измеряет азот, водород и кислород в большинстве металлов, огнеупорных керамиках и неорганических материалах. В приборе используется метод плавления в потоке инертного газа. Взвешенная проба помещается в кварцевый тигель, изготовленный из кварца высокой чистоты, и плавится в потоке гелия при температуре, достаточной для полного выделения кислорода, азота и водорода.
Обсуждение результатов
При внешнем осмотре болтов с помощью бинокулярного микроскопа МБС-10 с увеличением 8-20 крат обнаружено:
а) на поверхности тела (стержня) всех болтов имеются следы неравномерного контактного износа защитного покрытия. Площадь износа пассивирующей пленки на защитном покрытии болтов превышает 80 %, видны места износа самого покрытия. Контактные пятна с участками фреттинга темно-коричневого цвета площадью 50 мм2 четко выделяются на фоне светложелтого покрытия. В темных пятнах болта № 26 отмечается точечное выкрашивание и микрорастрескивание поверхности;
б) разрушение болтов носит многоочаговый усталостный характер. Плоскость излома усталостной трещины в предочаговых зонах сильно притерта, местами окислена и перпендикулярна оси болта. Рост длины трещины в центральном сечении болта № 26 не совпадает с макроориентацией излома и сопровождается появлением радиальных мезолиний нестационарного (блочного) нагружения. В области галтели на болтах практически отсутствует защитное покрытие. Видны следы коррозии в потертых местах. Очаги зарождения трещины располагаются по полуокружности с одной стороны относительно оси симметрии болтов;
в) значительная деформация поверхностных слоев материала болта № 26 с их изгибом свидетельствует о высоком уровне приложенных нагрузок;
г) долом болтов в центральной части сечения излома матовый и пластичный.
Ржавчина, обнаруженная при осмотре области постановки болтов в гребенке, свидетельствует о протекании коррозионных процессов. В нейтральной среде (водный конденсат) конструкционные стали подвергаются общей коррозии. Общая коррозия не могла привести к выходу болтов из строя. Особое внимание было уделено точечному выкрашиванию на поверхности болтов. Микрорентгеноспектральный анализ этих областей показал, что эти дефекты имеют коррозионную природу. Химический состав растрава представлен в табл. 1.
Таблица 1
Элемент Обозначение Содержание, массовая доля, %
1. Кислород О 27,8
2. Натрий Ка 2,39
3. Кремний 0,78
4. Молибден Мо 0,81
5. Хлор С1 0,93
6. Калий К 0,62
7. Кальций Са 0,66
8. Хром Сг 0,60
9. Железо Бе 64,49
10. Никель N1 0,92
Из табл. 1 следует, что эти растравы представляют собой язвы коррозионного происхождения. Основную массу элементов в язвах составляют железо и кислород (оксиды и гидроксиды железа - продукты коррозии стали). Внутри язв обнаружен хлор, натрий и калий, это говорит о коррозионной агрессивности среды. Обнаружены легирующие элементы стали - хром, молибден и никель. Обнаружение кальция дает основание для предположений о наличии неметаллических включений в металле и о вкладе металлургических факторов в коррозионные процессы. Таким образом, обнаружено что растравы происходили на оголенной от покрытия части болта, так как следов кадмия в язвах не обнаружено, следовательно, защитное покрытие утратило свою целостность и не обеспечивало протекцию стали болта.
Выводы, сделанные при визуальном осмотре, подтверждаются результатами измерения мезорельефа излома болта. Мезотопография поверхности разрушения была получена с использованием автоматического лазерного бесконтактного трехмерного профилографа.
Основное внимание уделялось центральной части разлома болта, на которой видны мезолинии блочного нагружения. Из профилограмм, в частности, следует масштаб макрокривизны излома - на длине пробега трещины 5-6 мм перепад высот составляет 0,5—1,5 мм. На разных участках траектории трещины отличается мезошероховатость излома, если на начальной стадии распространения трещины рельеф достаточно гладкий (высота выступов не превышает Я2~30), то в центральной части болта перепад высот мезорельефа составляет порядка рис. 2. Полфилограмма центральной
К^>15°. На рис. 2 представлена профило- части излома болта № 26
грамма центральной части излома болта №26.
Наблюдаемый рельеф поверхности излома характерен для вязкого разрушения конструкционной стали. Большой перепад высот рельефа изломов в центральной части болтов, особенно одного из них, где он достигает макромасштабов (т.е. фактически соизмерим с поперечником болтов), нельзя объяснить только развитием процесса усталостного разрушения (рис. 3).
Такой размах траектории трещины может быть связан с наличием неоднородности в центральном сечении болта (неоднородность в размещении неметаллических включений связанная
с этим структурная полосчатость и т.д.). Обращает на себя внимание и то, что в левой части рис. 3 видны высокие рельефные выступы (указаны стрелками), свидетельствующие о том, что развитие усталостной трещины началось с поверхности.
Массовый характер зарождения трещин в нескольких болтах (при наблюдаемом механизме разрушения) может быть обусловлен действием нескольких причин:
ослаблением их затяжки (либо изначальным, либо в процессе эксплуатации);
наводороживанием (вследствие чего возможен хрупкий подрыв) поверхностного слоя;
действием циклических нагрузок в процессе эксплуатации.
Мезотопография поверхности подтвердила механизм разрушения как усталостный. Были обнаружены особенности строения поверхности разрушения и указаны возможные причины образования столь сильных перепадов высоты рельефа излома. Металлографический анализ позволил определить микроструктуру стали и отсутствие строчечности. Это дало основание полагать, что она не является причиной высоких перепадов рельефа разлома болтов, указанного при исследовании мезорельефа.
Для изготовления шлифа использовали неразрушенный болт с трещиной №23. После нескольких разрезов устье трещины оказалось в плоскости, которая потом подверглась шлифовке и полированию. Фотографии нетравленого шлифа представлены на рис. 4. Исследованиями нетравленого шлифа установлено, что в стали присутствуют: силикаты сложного состава, сульфиды марганца, точечные оксиды, окруженные сульфидами. По общему содержанию представленные на рисунке включения не превышают металлургических норм. Химический состав НВ, зафиксированных на рис. 4, представлен в табл. 2. Основой этих частиц является оксид алюминия Al2Oз. Есть включения более сложного состава.
Таблица 2
Состав сложных НВ
Элемент Символ Содержание, массовая доля, %
1. Кислород O 16,85
2. Магний Mg 4,14
3. Алюминий М 32,60
4. Сера S 4,32
5. Кальций Ca 2,28
6. Хром О- 0,71
7. Марганец Mn 5,48
8. Железо Fe 33,63
%
* : ■ ^. -
• - * * •• -
* ■ /■ / : '
Рис. 4. НВ и устье трещины
Рис. 3. Порог поверхности разрушения болта № 28
Исходя из химического состава включения можно заключить, что они представляют собой смесь нескольких оксидов, окруженных сульфатами марганца, кальция. Особое внимание здесь следует обратить на достаточное количество кальция. Его наличие было зафиксировано в пит-тингах на поверхности болтов. На разрушение стали оказали влияние присутствующие в ней НВ. Неметаллические включения сложного состава с некоторым содержанием кальция являлись первичными очагами зарождения трещины в местах перехода стержня болта к головке. Эти очаги появились в результате локальной коррозии самого болта вследствие утраты покрытием защитных свойств. Причины возникновения локальной коррозии на стали были не ясны. Ответ на этот вопрос был получен при обработки шлифа специальными реактивами, выявляющими коррозионно-активные неметаллические включения (КАНВ).
Проблема КАНВ известна сравнительно недавно. Она была сформулирована специалистами ЦНИИчермет им. И.П. Бардина и НИФХИ им. Л.Я. Карпова при исследовании аномально быстрого выхода из строя (от 3-х месяцев до 12 лет) стальных трубопроводов, транспортирующих водные среды, содержащие ионы хлора. Трубы подверглись сквозному коррозионному разрушению [1].
Значительная часть НВ вносится в сталь в процессе внепечной обработки жидкой стали в ковше с участием высокоосновного шлака при определенных технологических параметрах. В то же время установлено, что при недостаточно корректном выборе технологических параметров внепечная обработка стали может приводить к ее загрязнению неметаллическими включениями, отрицательно влияющими на ряд важнейших свойств: коррозионную стойкость, качество поверхности, усталостные и другие характеристики. Введение кальцийсодержащего компонента при неблагоприятном составе внепечного шлака и других технологических параметрах обработки может повышать загрязненность стали КАНВ. То есть внепечная обработка при неоптимальных технологических параметрах - основной источник образования КАНВ.
Различают два основных типа КАНВ: 1 тип - включения на основе алюмината кальция, которые могут также содержать небольшие добавки кремния и магния и тип 2 - включения сложного состава, содержащие сульфид кальция. Выявление КАНВ осуществляется различными методами. КАНВ 2 типа выявляют при обработке нетравленого шлифа специальным реактивом, в результате чего на поверхности образуются зоны коррозионного поражения вокруг частицы. Сама частица при этом либо растворяется, либо может остаться ее нерастворимая в реактиве доля, например, сульфид марганца. КАНВ 1 типа выявляются при травлении микрошлифа на структуру также специальным реактивом. В этом случае важно учитывать характер структурного состояния металла. Как правило, КАНВ 1 типа лучше различаются в феррито-перлитной структуре, характерной для среднеуглеродистых или низкоуглеродистых сталей. В случае, когда в стали содержание углерода более 0,3 %, выявление КАНВ 1 типа является затруднительным, так как их сложно различить на фоне микроструктуры. КАНВ 2 выявлены после обработки специальным раствором (рис. 5).
Рис. 5. Темные области вокруг КАНВ 2
Таким образом, в стали болтов достоверно обнаружены КАНВ, которые в условиях доступа влаги вызывают локальную коррозию стали 40ХНМА. Отсюда следует вывод, что наиболее вероятными очагами зарождения трещины были питтинги, образовавшиеся в результате интенсивной коррозии матрицы как раз вокруг КАНВ.
Активное растворение матрицы вокруг КАНВ может быть связано с наличием серы в этих включениях. Сера уменьшает перенапряжение выделения водорода, тем самым облегчая коррозию с водородной деполяризацией. Теоретический расчет показывает возможность коррозии железа с водородной деполяризацией в нейтральных средах.
Железо при электрохимической коррозии в воде переходит в раствор в виде двухвалентных ионов, давая при том труднорастворимое соединение Fe(OH)2 (при 25 ОС LFe(OH)2= 1,65-10-15).
Активность ионов железа в воде при 25 ОС (КВ= 1,008-1014)
AFe2+= LFe(OH)2 / а2он = 1,65-1015 / 1,008-10 14= 0,164.
Находим соответствующий обратимый потенциал железа
VFe= V0Fe + RT / 2F • 2,303lg aFe2+ = -0,44 + 0,0591/2-lg (0,164) = -0,463 В.
Обратимый потенциал катодного процесса с водородной деполяризацией - Ен= -0,228 В.
Так как EFe < Ен, коррозия железа в воде при 25 ОС за счет водородной деполяризации термодинамически возможна [2].
При коррозии стали с водородной деполяризацией происходит ее наводороживание, повышающее склонность стали к хрупкому разрушению. Хрупкие подрывы приповерхностных зон тоже являются очагами распространения усталостной трещины. Более сильный эффект наводо-роживания возможен при трибохимических эффектах.
Вследствие эрозионного воздействия тончайшая пленка гидрооксида железа Fe(OH)2 удалялась, и ювинильная поверхность металла контактировала с водой. Именно на ювинильной поверхности в самые первые мгновения взаимодействия со средой могла происходить коррозия с водородной деполяризацией. Обновление поверхности с каждым разом увеличивало количество водорода в стали. Многократное повторение этих процессов в ходе эксплуатации могло привести к ощутимому наводороживанию приповерхностных слоев стали, увеличив ее хрупкость.
При механической активации поверхности образца, вырезанного из болта, фиксировались скачкообразные изменения потенциала в отрицательную сторону, это повышает термодинамическую возможность коррозии с водородной деполяризацией. Высота пиков отличалась в разных растворах. В 3 % (массовая доля) хлориде натрия она составляла до 30 мВ, в 30 % NaNO3 -20 мВ (этот раствор имитирует атмосферную коррозию стали), в 10 % гидроксиде натрия - от 50 до 90 мВ.
Для количественного определения эффекта наводороживания два типа образцов анализировали на общее содержание водорода. На одних образцах приповерхностный слой оставляли без изменений, другие образцы вырезали из центра болта. Результаты анализа показали, что в образцах, вырезанных из середины болта, содержание водорода составляет 2,8 ppm (2,5 см3/100 г). Исходя из анализа водорода и количества неметаллических включений в стали, можно заключить, что в процессе изготовления болтов металлургического брака не было. Общее содержание водорода в образцах с нетронутым приповерхностным слоем составило 7,6 ppm, что превышает объемное содержание водорода в 2,5 раза. При расчете обогащения приповерхностного слоя стали мы получили значение порядка 30 ppm, что не противоречит данным [3]. Повышенное содержание водорода в приповерхностных слоях болтов позволяет утверждать факт того, что очагами усталостной трещины являлись зоны хрупкого подрыва на поверхности болтов. Еще одним источником наводороживания (помимо коррозионных процессов) мог быть гальванический процесс нанесения кадмиевого покрытия на болты, поэтому после кадмирования болты подвергают изотермическому отжигу при 200 оС для обезводороживания. При этом на кадмии появляется пассивирующая пленка соломенно-желтого цвета. Эта пленка была обнаружена на
болтах, что свидетельствует о нагреве обрацов до температуры 200 оС. С момента ввода самолета в эксплуатацию прошло 16 лет, за такое время водород мог уйти из болтов.
Таким образом, установлена еще одна причина появления очагов разрушения - повышенное содержание водорода в поверхностных слоях, стимулировавшее хрупкий механизм разрушения в очаговых зонах.
Выводы
1. Причиной разрушения болтов явилась высокая концентрация напряжений вследствие их перекоса и действия коррозионно-активной среды, содержащей хлорид ионы.
2. Разрушение болтов было инициировано утратой защитных свойств покрытий вследствие фреттинг коррозии.
3. Материал болтов содержал коррозионно-активные неметаллические включения (КАНВ), при наличии которых использовать болты без покрытия нельзя. КАНВ стимулируют процесс локальной коррозии, в том числе и растрескивания.
4. Вклад в разрушение внесло наводороживание при коррозии и трибо химических эффектах.
ЛИТЕРАТУРА
1. Родионова И.Г., Бакланова О.Н. Повышение коррозионной стойкости сталей для труб тепловых сетей путем обеспечения чистоты по коррозионно-активным неметаллическим включениям / Материалы конференции "Тепловые сети. Современные решения", 17-19 мая 2005 г. НП "Российское теплоснабжение".
2. Жук Н.П. Курс теории коррозии и защиты металлов. - М.: Металлургия, 1976.
3. Гальванические покрытия в машиностроении // Справочник. Под ред. Шлугера М. А. - М.: Машиностроение, 1985.
RESEARCH OF DESTRUCTION OF THE BOLTS FOR WING ATTACHMENT (TO FUSELAGE)
Vasyljev V.G., Galagan G.U., Semin A.V., Shapkin V.S.
The complex physical-chemical researches of destruction of the bolts for wing attachment (to fuselage) are carried. The presence of corrosion-active environment containing a Cl-ion is revealed its influence has called local corrosion of bolts. Have found out fragile having undermined of local zones initiated by corrosion and chemical processes.
Сведения об авторах
Васильев Владимир Юрьевич, 1941 г.р., окончил МИСиС (1966), доктор химический наук, профессор кафедры коррозии и защиты металлов МИСиС, автор 300 научных работ, область научных интересов - электрохимическая диагностика разрушений.
Галаган Григорий Евгеньевич, 1984 г.р., окончил МИСиС (2007), аспирант кафедры коррозии и защиты металлов МИСиС, область научных интересов - электрохимическая диагностика разрушений.
Семин Александр Викторович, 1957 г.р. окончил МИИГА (1982), начальник группы НЦ ПЛГВС ГосНИИ ГА, автор 18 научных работ, область научных интересов - эксплуатационная прочность и ресурс ВС.
Шапкин Василий Сергеевич, 1961 г.р., окончил МИИГА (1984), доктор технических наук, профессор кафедры АКПЛА МГТУ ГА, генеральный директор ГосНИИ ГА, эксперт федеральной службы по надзору в сфере транспорта Минтранса России, Межгосударственного авиационного комитета, автор более 150 научных работ, область научных интересов - эксплуатация воздушного транспорта, прочность летательных аппаратов.
