起落架支柱搖臂耳片斷裂原因分析及改進(jìn)

李 博，肖 文，文 庚

(中航飛機(jī)起落架有限責(zé)任公司，陜西 城固 723200)

隨著航空工業(yè)發(fā)展，高機(jī)動(dòng)性、大載量型飛機(jī)研發(fā)制造，高強(qiáng)度鋼、超高強(qiáng)度鋼在航空制造業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。40CrNi2Si2MoVA鋼以其強(qiáng)度高、橫向塑性高、斷裂韌性高、疲勞性能優(yōu)良及抗腐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，通常用于起落架等承力部件[1-3]。但由于飛機(jī)服役環(huán)境復(fù)雜多變，承力部件往往會(huì)承受交變應(yīng)力的影響遭到破壞，其結(jié)構(gòu)力學(xué)性能也會(huì)隨之下降，長(zhǎng)時(shí)間服役后便會(huì)誘發(fā)疲勞腐蝕裂紋，為飛機(jī)的飛行安全埋下嚴(yán)重隱患[4]。某飛機(jī)飛行后檢查發(fā)現(xiàn)左主起落架支柱搖臂雙耳片斷裂。支柱搖臂材料為40CrNi2Si2MoVA(300M)鋼，主要制造工藝流程：數(shù)控銑(粗加工零件外形)→數(shù)控銑(加工支臂外形及支臂內(nèi)槽，粗加工支臂孔和止動(dòng)臺(tái))→鉗工(拋光)→總檢→熱處理(870 ℃，油淬+300 ℃，空冷，回火2次)→數(shù)控鏜(銑支臂止動(dòng)臺(tái)及精加工支臂孔)→磨工→低溫回火→數(shù)控銑(關(guān)鍵工序)→鉗工→總檢→酸蝕檢查→磁粉探傷→噴丸→鍍鉻→磨工→低溫回火→總檢→低氫脆鍍鎘→磁粉探傷。支柱搖臂經(jīng)過(guò)熱處理后抗拉強(qiáng)度值達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，且在經(jīng)過(guò)鍍鉻、低氫脆鍍鎘后未發(fā)現(xiàn)表面存在裂紋。本文對(duì)斷裂耳片進(jìn)行了外觀(guān)檢查，對(duì)斷裂面進(jìn)行了宏觀(guān)、微觀(guān)分析，檢查了耳片的金相組織、硬度，分析確定了斷裂性質(zhì)及原因，并提出了改進(jìn)及優(yōu)化措施。

1 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

1.1 宏觀(guān)觀(guān)察

主起收放作動(dòng)筒部分結(jié)構(gòu)如圖1所示，主起收放作動(dòng)筒為雙耳片結(jié)構(gòu)，圖示位置為此次故障耳片失效位置，即內(nèi)、外耳片在兩耳片之間的槽底轉(zhuǎn)接處發(fā)生斷裂，槽底轉(zhuǎn)接處設(shè)計(jì)要求為R2±0.5 mm。內(nèi)、外耳片斷裂位置一致，均在兩耳片之間的槽底轉(zhuǎn)接處發(fā)生斷裂，源區(qū)均位于耳片內(nèi)側(cè)槽底轉(zhuǎn)接處上部棱角處，耳片內(nèi)側(cè)均存在一處圓周劃痕，耳片孔附近存在漆層不完整情況(見(jiàn)圖2)。

圖1 支柱搖臂耳片外觀(guān)示意圖

圖2 斷裂耳片整體形貌

內(nèi)側(cè)耳片斷口平坦，源區(qū)為線(xiàn)源，擴(kuò)展棱線(xiàn)較粗大、明顯，源區(qū)附近斷面可見(jiàn)明顯疲勞弧線(xiàn)，斷口四周可見(jiàn)剪切唇，源區(qū)側(cè)面被漆層包裹，未見(jiàn)明顯異常痕跡(見(jiàn)圖3)。外側(cè)耳片斷口特征與內(nèi)側(cè)耳片斷口類(lèi)似，不再贅述。

a)源區(qū)形貌

1.2 微觀(guān)觀(guān)察

將斷口超聲清洗后，在JSM-5600LV掃描電鏡下進(jìn)行微觀(guān)觀(guān)察。內(nèi)側(cè)耳片斷口低倍形貌可見(jiàn)疲勞弧線(xiàn)特征；斷裂起始于表面，為線(xiàn)源，約長(zhǎng)4 mm，源區(qū)未見(jiàn)冶金缺陷；擴(kuò)展區(qū)可見(jiàn)明顯疲勞條帶特征，擴(kuò)展長(zhǎng)度約1.7 mm的不規(guī)則扇形區(qū)域，基本為疲勞弧線(xiàn)范圍以?xún)?nèi)；擴(kuò)展區(qū)邊緣與瞬斷區(qū)交界處為疲勞條帶和韌窩形貌；疲勞弧線(xiàn)以外均為韌窩斷裂特征；源區(qū)側(cè)面存在磨損，未見(jiàn)明顯加工刀痕等特征(見(jiàn)圖4)。外側(cè)耳片斷口微觀(guān)特征與內(nèi)側(cè)耳片斷口類(lèi)似，不再贅述，其中源區(qū)長(zhǎng)約3.5 mm，擴(kuò)展區(qū)長(zhǎng)約1.2 mm的不規(guī)則扇形區(qū)域，比內(nèi)側(cè)耳片疲勞擴(kuò)展區(qū)面積小。

a)源區(qū)形貌

1.3 金相組織觀(guān)察

切取內(nèi)、外耳片截面制備各金相試樣，磨拋腐蝕后進(jìn)行金相組織檢查。內(nèi)、外耳片基體組織均為回火馬氏體組織，組織未見(jiàn)明顯異常。

1.4 R角尺寸測(cè)量

對(duì)內(nèi)、外耳片里側(cè)槽底轉(zhuǎn)接處轉(zhuǎn)角進(jìn)行測(cè)量，可以看出內(nèi)耳片轉(zhuǎn)角直徑約3.27 mm，即R1.63 mm。處于設(shè)計(jì)要求下限(設(shè)計(jì)要求為R2±0.5 mm)，且圓角過(guò)渡處不圓滑。外耳片R角直徑約為3.29 mm，即R1.64 mm。處于設(shè)計(jì)要求下限(設(shè)計(jì)要求為R2±0.5 mm)，圓角過(guò)渡處相對(duì)較圓滑。

1.5 硬度檢測(cè)

對(duì)內(nèi)、外耳片硬度進(jìn)行維氏硬度檢測(cè)，按照GB/T 1172—1999轉(zhuǎn)化為洛氏硬度，可見(jiàn)內(nèi)、外耳片硬度一致，均為54.5 HRC，滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)要求(見(jiàn)表1)。

表1 硬度檢測(cè)結(jié)果

2 分析與討論

左主起落架支柱搖臂雙耳片斷裂斷口宏觀(guān)可見(jiàn)明顯疲勞弧線(xiàn)，微觀(guān)可見(jiàn)明顯的疲勞條帶，說(shuō)明左主起落架支柱搖臂雙耳片斷裂性質(zhì)均為疲勞斷裂[5]。通過(guò)斷口疲勞擴(kuò)展區(qū)長(zhǎng)度對(duì)比可知，內(nèi)耳片的疲勞擴(kuò)展區(qū)長(zhǎng)度約為1.7 mm，外耳片的疲勞擴(kuò)展區(qū)長(zhǎng)度約為1.2 mm，通過(guò)疲勞擴(kuò)展區(qū)長(zhǎng)度可知，內(nèi)耳片首先發(fā)生疲勞開(kāi)裂。內(nèi)、外耳片均線(xiàn)性起源于雙耳片內(nèi)側(cè)槽底轉(zhuǎn)接處前側(cè)棱角處，源區(qū)及源區(qū)側(cè)面均未見(jiàn)冶金和加工缺陷。R角尺寸測(cè)量結(jié)果表明，內(nèi)、外耳片里側(cè)槽底轉(zhuǎn)接處R角均處于設(shè)計(jì)要求下限，R角尺寸過(guò)小，存在一定的應(yīng)力集中效應(yīng)，對(duì)于300M鋼這類(lèi)高強(qiáng)度鋼來(lái)說(shuō)，本身的缺口敏感性較大，應(yīng)力集中效應(yīng)大，在循環(huán)載荷作用下容易發(fā)生疲勞斷裂[6]，其中內(nèi)耳片轉(zhuǎn)角邊緣過(guò)渡不良，會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)應(yīng)力集中程度，從而引起內(nèi)耳片先發(fā)生疲勞開(kāi)裂。

斷口觀(guān)察結(jié)果顯示，內(nèi)、外耳片斷口疲勞區(qū)占整個(gè)斷面面積均較小，疲勞擴(kuò)展區(qū)擴(kuò)展棱線(xiàn)較粗大，說(shuō)明耳片的工作應(yīng)力較大，對(duì)耳片發(fā)生疲勞開(kāi)裂也存在影響。耳片內(nèi)側(cè)表面不均勻的圓周磨痕說(shuō)明耳片受到異常外力，對(duì)疲勞開(kāi)裂起促進(jìn)作用。另外，內(nèi)、外耳片組織均為回火馬氏體組織，組織未見(jiàn)明顯異常，硬度均滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)，說(shuō)明材料與耳片疲勞斷裂無(wú)關(guān)。

綜上所述，雙耳片疲勞斷裂的原因主要與受到較大應(yīng)力水平及R角圓角加工質(zhì)量有關(guān)。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述研究可以得出如下結(jié)論。

1)左主起落架支柱搖臂雙耳片斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂。

2)雙耳片疲勞斷裂的原因主要與受到較大應(yīng)力水平及R角圓角加工質(zhì)量有關(guān)。

3)由于R角圓角尺寸較小會(huì)提高應(yīng)力集中程度，建議對(duì)R角位置受力情況進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)一步優(yōu)化R角尺寸設(shè)計(jì)。

4)建議進(jìn)一步提高倒角、倒圓表面加工精度，避免刀痕、劃痕等缺陷。