旋翼軸磁痕顯示原因分析

涂文斌，薄錫金，劉德林，宋 凱，陶春虎

(1.無損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南昌航空大學(xué))，南昌 330063;2.哈爾濱東安發(fā)動(dòng)機(jī)(集團(tuán))有限公司，哈爾濱 150066;3.北京航空材料研究院，北京 100095;4.航空材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095;5.中航工業(yè)失效分析中心，北京 100095)

0 引言

直升機(jī)的旋翼為直升機(jī)飛行提供升力和操縱力，旋翼軸是連接旋翼和主減的關(guān)鍵疲勞部件，起驅(qū)動(dòng)旋翼旋轉(zhuǎn)的作用。把旋翼軸看作一個(gè)簡(jiǎn)支梁，軸上端(直升機(jī)旋翼槳轂中心)作用有拉力、扭矩、剪力和彎矩［1］。如旋翼軸存在應(yīng)力集中部位，受力作用易形成疲勞裂紋，疲勞裂紋會(huì)很快擴(kuò)展，將導(dǎo)致旋翼軸發(fā)生疲勞破壞，危及飛機(jī)和人員的安全［2］。因此，為確保直升機(jī)的安全，有必要對(duì)直升機(jī)的旋翼軸進(jìn)行失效分析并采取預(yù)防措施。

旋翼軸材料采用超高強(qiáng)度鋼35Ni4Cr2MoA，其加工工序?yàn)?冶煉→鍛造→正火→回火→淬火→回火。合理、正確的加工工序是保證旋翼軸具有良好力學(xué)性能的關(guān)鍵，每一道加工工序都非常重要。潘天浩等［3］通過試驗(yàn)分析了30CrMo 據(jù)片用鋼齒根部裂紋失效，闡明基體中帶狀組織為原材料帶狀偏析引起，其易產(chǎn)生疲勞裂紋源，嚴(yán)重降低鋸片的疲勞壽命。

帶狀組織是熱軋鋼中常見的一種現(xiàn)象［4］，它對(duì)鋼的使用性能影響很大。由于帶狀組織相鄰帶的顯微組織不同，性能也不盡相同，在外力作用下性能低的帶容易暴露出來，而且強(qiáng)弱帶之間會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，因而造成總體力學(xué)性能降低，并具有明顯的各向異性［5］。因此，研究旋翼軸組織偏析產(chǎn)生的原因，對(duì)改善旋翼軸的力學(xué)性能，避免事故的發(fā)生，具有重要的意義。

本研究對(duì)旋翼軸的磁痕顯示特征采用了磁粉檢測(cè)、低倍組織檢查、金相組織觀察及電子探針微區(qū)成分分析等方法，確定了磁痕顯示的性質(zhì)，并對(duì)其產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析。

1 試驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1 磁粉檢測(cè)

旋翼軸中間部分未變形，兩端經(jīng)拉拔成形，試樣外觀見圖1。對(duì)試樣進(jìn)行磁粉檢測(cè)，施加磁化電流為470 A，結(jié)果表明，零件外表面沿軸向存在若干條磁痕顯示(圖2)。磁痕分布于整個(gè)外表面，圖1 中紅線圈示部位即端部拉拔成形的部位為磁痕集中分布部位。從圈示部位切取50 mm ×20 mm 的方形試樣，編為1#試樣。

圖1 送檢試樣外觀Fig.1 Appearance of submissed sample

圖2 送檢試樣外表面磁痕顯示Fig.2 Magnetic mark indications of outer surface of sample

1.2 低倍組織檢查

如圖1 中劃線所示，沿軸向切取長(zhǎng)約80 mm 的縱截面試樣，編為2#試樣。將1#、2#試樣進(jìn)行磨制拋光，1#試樣磨制面為軸外表面，2#試樣磨制面為軸向截面。用金相顯微鏡進(jìn)行觀察，均未發(fā)現(xiàn)明顯夾雜物。1#金相試樣拋光后的形貌見圖3。將試樣用60～80 ℃的1∶1 的鹽酸水溶液侵蝕15 min，1#試樣的形貌見圖4，可見存在明顯的帶狀偏析，箭頭所指為相對(duì)較嚴(yán)重的偏析，與磁痕顯示的尺寸接近，最長(zhǎng)約10 mm。2#試樣的形貌見圖5，從軸外表面至內(nèi)表面均可見明顯的帶狀偏析，箭頭所指為相對(duì)較嚴(yán)重的偏析，最長(zhǎng)約10 mm。

圖3 1#金相試樣拋光后的形貌Fig.3 Morphology of 1# Metallographic sample after polishing

圖4 1#試樣低倍腐蝕后的形貌Fig.4 Low times corrosion morphology of sample 1#

圖5 2#試樣低倍腐蝕后的形貌Fig.5 Low times corrosion morphology of sample 2#

1.3 高倍金相組織檢查

將拋光后的試樣用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精侵蝕后在金相顯微鏡下觀察顯微組織，如圖6、圖7 所示。

由圖6 可見，1#試樣磁痕顯示區(qū)域?yàn)檠剌S向分布的亮條(圖6a)，亮條區(qū)的組織與暗區(qū)(正常區(qū))差異較大，亮條區(qū)為粗大的針狀馬氏體+殘余奧氏體組織(圖6b);暗區(qū)(正常區(qū))為保持馬氏體位向的回火索氏體組織(圖6c)。觀察到試樣其它部位也存在若干沿軸向分布的亮條，且亮條區(qū)為粗大的針狀馬氏體+殘余奧氏體組織，暗區(qū)(正常區(qū))為保持馬氏體位向的回火索氏體組織。

由圖7 可見，2#試樣從軸外表面至內(nèi)表面均存在若干沿軸向分布的亮條(圖7a)，亮條區(qū)為粗大的針狀馬氏體+殘余奧氏體組織(圖7b)，暗區(qū)(正常區(qū))為保持馬氏體位向的回火索氏體組織(圖7c)。

1.4 電子探針微區(qū)成分分析

采用電子探針對(duì)有磁痕顯示的亮條區(qū)和正常區(qū)進(jìn)行微區(qū)成分分析，結(jié)果見表2?？梢姡翖l區(qū)的合金元素Cr、Mo、Mn、Ni 含量均高于正常區(qū)，尤其是Cr 元素含量高出較多。

圖6 1#試樣的金相組織Fig.6 Microstructure of sample 1#

圖7 2#試樣的金相組織Fig.7 Microstructure of sample 2#

表2 微區(qū)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 2 Micro-component analysis result (mass fraction/%)

2 分析與討論

磁粉檢測(cè)結(jié)果表明，旋翼軸表面存在若干沿軸向分布的磁痕顯示。由低倍檢查結(jié)果可知，磁痕顯示為軸向的帶狀組織。偏析區(qū)的金相組織與正常區(qū)存在明顯差異，偏析區(qū)呈亮條狀，光亮的區(qū)域?yàn)闅堄鄪W氏體組織;正常區(qū)為保持馬氏體位向的回火索氏體組織。電子探針微區(qū)成分分析結(jié)果表明，偏析區(qū)的合金元素Cr、Mo、Mn、Ni 含量均高于正常區(qū)，尤其是Cr 元素含量較高，這些合金元素偏析會(huì)導(dǎo)致Ms 點(diǎn)降低［6］，使得試樣淬火后奧氏體未完全轉(zhuǎn)化為馬氏體，回火后仍為奧氏體組織，磁化后施加磁粉，易形成磁痕。

由磁粉檢測(cè)原理可知，當(dāng)工件被磁化時(shí)，若工件表面及近表面存在兩種磁導(dǎo)率相差較大的介質(zhì)時(shí)，就會(huì)在磁導(dǎo)率差異大的部位形成漏磁場(chǎng)，漏磁場(chǎng)將吸附、聚集檢測(cè)過程中施加的磁粉，形成磁痕［7］。偏析區(qū)存在馬氏體和奧氏體組織，激勵(lì)磁場(chǎng)施加后，在偏析區(qū)的馬氏體區(qū)域中，通過該區(qū)域橫截面上的磁通量幾乎不變化，因偏析區(qū)的奧氏體的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)小于馬氏體的磁導(dǎo)率，一部分磁場(chǎng)將會(huì)繞過奧氏體從其附近的馬氏體區(qū)域通過，致使馬氏體區(qū)域中的磁場(chǎng)強(qiáng)度升高，磁導(dǎo)率下降，從而通過奧氏體區(qū)域外泄的漏磁通量相對(duì)增大，施加磁粉后，奧氏體區(qū)域就會(huì)顯示磁痕。

綜上所述，旋翼軸的磁痕顯示為沿軸向分布的奧氏體，其產(chǎn)生原因?yàn)槌煞制鏊隆Ｓ梢睙捁に噷?dǎo)致合金元素分布不均勻，宏觀表現(xiàn)為成分偏析，致使馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn)Ms 降低，使得淬火后奧氏體未完全轉(zhuǎn)化為馬氏體，因奧氏體磁導(dǎo)率遠(yuǎn)低于馬氏體磁導(dǎo)率，磁化后，產(chǎn)生漏磁場(chǎng)，施加磁粉，形成磁痕。

3 結(jié)論

1)磁痕顯示部位對(duì)應(yīng)的亮條區(qū)內(nèi)部，合金元素Cr、Mo、Mn、Ni 含量高于正常區(qū)，為成分偏析。

2)旋翼軸的磁痕顯示為沿軸向分布的奧氏體，其產(chǎn)生原因?yàn)槌煞制鰧?dǎo)致的馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn)Ms 降低所致。

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