某型飛機(jī)主起落架活塞桿裂紋分析

王俊，祖揮程，滕偉杰，歐陽康

（國營蕪湖機(jī)械廠，安徽 蕪湖 241007）

0 引言

主起落架緩沖支柱大部分都采用了油氣混合式緩沖器，在飛機(jī)起飛、著陸、停放等狀態(tài)起著支撐和緩沖作用，能夠吸收飛機(jī)的撞擊載荷，可緩解飛機(jī)垂直方向和縱向的受載情況。起落架緩沖支柱主要由外筒、活塞桿、輪軸等組成，緩沖支柱的活塞桿（如圖1）在工作時(shí)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其表面起到耐磨、防銹的作用?；钊麠U加工完成后進(jìn)行磁粉探傷，發(fā)現(xiàn)兩處裂紋顯示?；钊麠U機(jī)械加工工藝流程為：機(jī)械成形加工→鍍鉻→除氫處理→超精加工（砂袋打磨）→鍍鎘鈦→除氫處理→磁粉探傷[1]。該活塞桿材質(zhì)為300M鋼。

圖1 活塞桿示意圖

300M（40CrNi2Si2MoVA）鋼是一種新型低合金超高強(qiáng)度合金鋼，具有較高的淬透性、抗回火能力，兼有優(yōu)良的橫向塑性、斷裂韌度、抗疲勞性能、抗腐蝕性能，在飛機(jī)起落架外筒、活塞桿、機(jī)體零件、接頭和軸等結(jié)構(gòu)零件上有著廣泛的應(yīng)用。但該鋼對(duì)缺口、應(yīng)力腐蝕和氫脆性能極其敏感，容易產(chǎn)生疲勞裂紋。隨著飛機(jī)服役時(shí)間的延長，300M鋼起落架零件在長期受到?jīng)_擊載荷，并處于腐蝕環(huán)境下，疲勞損傷概率越來越大。

本文對(duì)活塞桿裂紋試樣進(jìn)行了觀察和分析，對(duì)裂紋斷口進(jìn)行宏觀、微觀觀察，并進(jìn)行顯微硬度測試和金相檢查，明確了起落架活塞桿的裂紋特性，并對(duì)裂紋發(fā)生機(jī)理進(jìn)行了進(jìn)一步探討。

1 活塞桿的緩沖性能檢查

作用在緩沖器活塞桿上的力應(yīng)該平穩(wěn)地增長，當(dāng)壓縮行程達(dá)到最大值時(shí)，緩沖器上的力達(dá)到最大值，緩沖器的剛度（曲線的斜率）也應(yīng)該平穩(wěn)地增加。

將裝配好的緩沖器安裝至壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行靜壓曲線試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 緩沖器壓縮曲線示意圖

2 試驗(yàn)過程與結(jié)果

2.1 宏觀檢查

活塞桿進(jìn)行磁粉探傷時(shí)發(fā)現(xiàn)靠近端面處可見兩處沿著軸向延展的裂紋顯示，如圖3所示。將裂紋區(qū)從活塞桿上切剖，試樣如圖4所示。對(duì)裂紋試樣進(jìn)行觀察，表面鍍鉻層靠近端面處可見一處軸向裂紋，長度約為3 mm，呈曲折延伸狀[2]；試樣表面4/5區(qū)域可見密集分布的網(wǎng)狀裂紋，裂紋縱橫交錯(cuò)，如圖5所示。

圖3 活塞桿磁粉探傷結(jié)果

圖4 活塞桿送檢試樣外觀

圖5 活塞桿裂紋形態(tài)

2.2 裂紋斷口宏微觀觀察

將軸向裂紋打開，觀察軸向裂紋形貌。裂紋斷面平整，未見明顯塑性變形，裂紋深度約為1.1 mm，裂紋區(qū)斷面顏色明顯與人工打斷的顏色不同，裂紋區(qū)的斷面顏色呈現(xiàn)金黃氧化色，如圖6所示。

圖6 軸向裂紋斷口形貌

將軸向裂紋斷口在丙酮中超聲波清洗后，使用掃描電子顯微鏡觀察斷口的微觀形貌特征。整個(gè)裂紋斷面均可見沿晶+準(zhǔn)解理混合斷裂特征，沿晶面可見細(xì)小的撕裂棱，為高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼典型氫脆斷裂特征，如圖7所示。與裂紋區(qū)斷面特征完全不同，人工打斷區(qū)呈現(xiàn)典型韌窩形態(tài)[3]，如圖8所示。

圖7 軸向裂紋斷口微觀形貌

圖8 人工打斷區(qū)微觀形貌

2.3 斷口能譜檢測

對(duì)軸向裂紋斷口區(qū)和人工打斷區(qū)進(jìn)行能譜檢測，與人工打斷區(qū)相比，裂紋區(qū)可見較多的O元素。裂紋斷口區(qū)能譜如圖9所示。人工打斷區(qū)能譜如圖10所示。

圖9 裂紋區(qū)能譜

圖10 人工打斷區(qū)能譜

表1 裂紋區(qū)能譜結(jié)果

2.4 金相觀察

在軸向裂紋附近垂直于軸向裂紋方向制取截面金相試樣，并制取網(wǎng)狀裂紋截面金相試樣，分別記為1#、2#。將試樣磨制拋光后進(jìn)行金相檢查[4]。

2.4.1 鍍鉻層厚度測量

活塞桿表面鍍鉻層厚度技術(shù)要求為38～64 μm。對(duì)1#、2#試樣鍍層厚度進(jìn)行測量，1#試樣鍍層厚度并不完全均勻一致，測得厚度為35～67 μm，不滿足技術(shù)要求；2#試樣鍍層厚度較為均勻，約為32 μm，略低于技術(shù)要求的下限，如圖11、圖12所示。

圖11 1#試樣鍍層形態(tài)

圖12 2#試樣鍍層及裂紋形態(tài)

此外，2#試樣表面鍍層可見較多裂紋，多條裂紋已經(jīng)穿透鍍層，但并未向基體進(jìn)一步擴(kuò)展，這種并未向基體擴(kuò)展的網(wǎng)狀裂紋是工藝允許的。

2.4.2 組織觀察

1#、2#試樣基體表層未見異常夾雜和其它冶金缺陷，心部與表層的金相組織皆為回火馬氏體，無燒傷等異常情況，如圖13、圖14所示。

圖13 1#試樣金相組織形貌

圖14 2#試樣金相組織形貌

表2 人工打斷區(qū)能譜結(jié)果

2.5 硬度檢測

對(duì)1#、2#試樣進(jìn)行心部顯微硬度測試，結(jié)果如表3所示，各處顯微硬度值較為均勻。

表3 活塞桿顯微硬度測試結(jié)果 HV0.5

3 分析與討論

3.1 壓縮曲線分析

如圖2所示，緩沖器試驗(yàn)曲線比較平滑，載荷隨行程的增大而平緩增大，緩沖器剛度（即曲線的斜率）也平穩(wěn)增大，符合緩沖器的設(shè)計(jì)要求。

在起飛、著陸過程中緩沖器的各性能參數(shù)均正常，說明緩沖器內(nèi)活塞桿所受載荷正常，由此推斷活塞桿裂紋與此無關(guān)。

3.2 理化分析

結(jié)合起落架活塞桿軸向裂紋的樣貌特性分析結(jié)果可知，裂紋斷面呈現(xiàn)金黃氧化色，斷口宏觀平整，未見明顯塑性變形，斷口微觀呈沿晶+準(zhǔn)解理特征，沿晶面可見細(xì)小的撕裂棱，與裂紋區(qū)微觀特征不同，人為打斷區(qū)呈現(xiàn)典型的韌窩形貌?；钊麠U軸向裂紋性質(zhì)為氫脆開裂。裂紋首先開裂部位未見冶金、組織缺陷。

軸向裂紋斷面區(qū)的顏色為金黃氧化色，表層存在氧元素，表明裂紋形成后又遇到了高溫。結(jié)合活塞桿制造的工藝流程分析可知，活塞桿在進(jìn)行去應(yīng)力回火前裂紋就已形成[5]。

鋼制構(gòu)件氫脆問題較為常見，材料強(qiáng)度、氫含量水平是氫脆的關(guān)鍵影響因素?；钊麠U材質(zhì)為300M鋼，該材料為超高強(qiáng)度鋼，對(duì)氫脆較敏感。故需要對(duì)300M鋼的熱處理過程進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān)，對(duì)吸氫和材質(zhì)強(qiáng)度進(jìn)行嚴(yán)格控制。

依據(jù)活塞桿裂紋區(qū)附近取樣并進(jìn)行室溫拉伸的試驗(yàn)結(jié)果看，測得的抗拉強(qiáng)度平均值為1983 MPa，略高于技術(shù)要求（1960 MPa±100 MPa）的中線。

另外，在基體表層取樣進(jìn)行氫含量測試，測得的平均結(jié)果為1.3×10-6。依據(jù)活塞桿的生產(chǎn)工藝路線卡，活塞桿進(jìn)行兩次除氫處理，目前測得試驗(yàn)數(shù)據(jù)為最后一次除氫處理后的結(jié)果，而活塞桿軸向裂紋產(chǎn)生于最后一次除氫處理前，由此推斷鍍鉻或鍍鉻后的除氫處理工藝過程處理不當(dāng)。

4 結(jié)論

本文通過檢測和分析確定活塞桿軸向裂紋性質(zhì)為氫脆開裂，推斷是鍍鉻或鍍鉻后的除氫處理工藝過程處理不當(dāng)導(dǎo)致的，并提出嚴(yán)格控制鍍鉻或鍍鉻后的除氫處理工藝過程的要求。