支臂斷裂原因分析

蔣憲邦　袁春　劉立才　杜傳紅

摘 要：某型號(hào)飛機(jī)起落架支臂工作出現(xiàn)早期斷裂。通過(guò)對(duì)支臂進(jìn)行宏觀觀察、硬度測(cè)試、金相觀察和斷口形貌觀察，結(jié)果表明：大應(yīng)力疲勞是導(dǎo)致飛機(jī)起落架支臂工作過(guò)程中斷裂的主要原因。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)起落架；大應(yīng)力疲勞；應(yīng)力集中

中圖分類(lèi)號(hào)：V226 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）21-0069-02

Abstract： The supporting arm of landing gear of a certain type of aircraft appears early fracture in operation. Through macroscopical observation， hardness test， metallographic observation and fracture morphology observation， the results show that high stress fatigue is the main cause of fracture in the working process of aircraft landing gear arm.

Keywords： aircraft landing gear； high stress fatigue； stress concentration

1 概述

某型號(hào)飛機(jī)在起落架疲勞試驗(yàn)中，支臂發(fā)生斷裂。壽命標(biāo)準(zhǔn)是9000次。在約4100次左右發(fā)生斷裂。未到設(shè)計(jì)壽命的一半，故要求做失效分析。

零件材料：30CrMnSiNi2A。制造工藝為：模鍛件→機(jī)械加工→熱處理。

本報(bào)告通過(guò)宏觀觀察、硬度測(cè)試、金相分析和斷口微觀分析，確定了零件的開(kāi)裂性質(zhì)，并對(duì)其開(kāi)裂原因進(jìn)行了分析。

2 試驗(yàn)

2.1 斷口宏觀觀察

零件形狀見(jiàn)圖1，支臂宏觀形貌及裂紋位置見(jiàn)圖2，裂紋有多個(gè)臺(tái)階，是多源疲勞[1]。裂紋從一端萌生后向中間擴(kuò)展，擴(kuò)展至中心孔時(shí)為第1擴(kuò)展區(qū)，此時(shí)有效截面減少，應(yīng)力水平上升，疲勞擴(kuò)展加快，產(chǎn)生了第2擴(kuò)展區(qū)。在裂紋穿過(guò)中心孔以后，有效載荷面積進(jìn)一步減小，應(yīng)力水平已達(dá)到零件的破壞水平，此時(shí)發(fā)生瞬時(shí)斷裂。瞬斷區(qū)分為2個(gè)部分，第一部分向斷口外45度方向，然后第二部分和第一部分呈90度，和斷口呈負(fù)45度是剪切唇形貌。瞬斷區(qū)擠壓痕跡明顯，宏觀上已被磨平，沒(méi)有什么斷口形貌。

2.2 硬度測(cè)試

對(duì)斷裂試樣在6個(gè)不同位置進(jìn)行硬度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

根據(jù)硬度和強(qiáng)度的換算公式[2]，強(qiáng)度符合《中國(guó)航空材料手冊(cè)》中的30CrMnSiNi2A材料熱處理狀態(tài)的要求[3]。

符合設(shè)計(jì)圖紙強(qiáng)度要求。設(shè)計(jì)要求：σb=1665±100Mpa。

2.3 金相組織分析

在斷裂的零件上切取試樣檢查金相組織。對(duì)其表面和中心各位置進(jìn)行觀察。組織為回火馬氏體[4]見(jiàn)圖3，組織符合設(shè)計(jì)要求。

2.4 斷口微觀分析

將斷口用超聲波清洗后放入掃描電子顯微鏡進(jìn)行微觀觀察。斷口形貌為準(zhǔn)解理斷口[5]，源區(qū)未見(jiàn)明顯冶金缺陷，沒(méi)有氧化特征，見(jiàn)圖4。擴(kuò)展區(qū)低倍可看到典型的疲勞貝紋線，見(jiàn)圖5。

在裂紋快速擴(kuò)展區(qū)放大觀察，可以看到，斷口呈準(zhǔn)解理斷裂并有少量塑性特征，見(jiàn)圖6。瞬斷區(qū)大部分已經(jīng)擠傷，對(duì)未擠傷的部位進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)形貌是韌窩。見(jiàn)圖7。

3 分析與討論

30CrMnSiNi2A是我國(guó)航空工業(yè)廣泛應(yīng)用的低合金超高強(qiáng)度鋼。該鋼在30CrMnSiA鋼的基礎(chǔ)上提高了錳和鉻含量，并添加了1.40%-1.80%鎳，使其淬透性得到明顯提高，改善了鋼的韌性和回火穩(wěn)定性；經(jīng)熱處理后可獲得高的強(qiáng)度、塑性和韌性，良好的抗疲勞性能和斷裂韌度，低的疲勞裂紋擴(kuò)展速率。

該鋼是我國(guó)設(shè)計(jì)人員喜愛(ài)使用的鋼種，使用時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)其性能非常的了解。

本失效零件材料組織和性能符合設(shè)計(jì)要求，沒(méi)有冶金缺陷，可排除工藝和制造原因引起的失效。

本次失效是屬于多源疲勞，在沒(méi)有材料問(wèn)題和腐蝕問(wèn)題的情況下可判斷是大應(yīng)力引起的疲勞。要從設(shè)計(jì)和使用上查找原因。

從失效件上看，零件的裂紋源附近過(guò)渡的圓弧較小，易形成應(yīng)力集中，加工表面較為粗糙，雖不會(huì)引起大應(yīng)力疲勞，但是在正常應(yīng)力的情況下會(huì)減小零件的使用壽命[6]。特別是這種低合金的超高強(qiáng)度鋼特別要引起注意。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）零件斷裂主要是大應(yīng)力疲勞引起的。（2）零件所用的材料和熱處理工藝正常，材料能達(dá)到設(shè)計(jì)使用要求。（3）建議核算零件的應(yīng)力水平，優(yōu)化設(shè)計(jì)。（4）建議加工更加精細(xì)，提高疲勞使用壽命。

參考文獻(xiàn)：

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