起落架30CrMnSiNi2A鋼斜支柱裂紋分析

李 博，王 禾，陳學(xué)虎，丁凱旋

(中航飛機起落架有限責任公司，陜西 漢中 723200)

航空用超高強度鋼的應(yīng)力腐蝕斷裂敏感性愈來愈引起冶金和使用部門的重視。研究表明，在處于潮濕大氣、工業(yè)大氣和海水等惡劣環(huán)境中時，污染性或腐蝕性氣體組分與高于某一臨界值的應(yīng)力，聯(lián)合作用于高強度鋼，則會使其萌生裂紋并逐漸擴展，最終導(dǎo)致超高強度鋼在大氣環(huán)境發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，甚至在蒸餾水中都有發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的可能[1-7]。某型飛機服役一段時間后，發(fā)現(xiàn)主起落架斜支柱出現(xiàn)了一條長約30 mm的裂紋。復(fù)查其材料為30CrMnSiNi2A鋼，制造工藝為“機械加工→吹砂→磁探→焊接→磁探→熱處理(900 ℃淬火+500 ℃回火)→磁探→機械加工→硫化→機械加工→噴丸→機械加工→噴漆→成檢”。熱處理后抗拉強度值實際達到設(shè)計要求的上限，未進行除涂漆以外的任何表面處理。本文對主起落架斜支柱進行了外觀檢查、宏觀和微觀觀察、能譜分析及殘余應(yīng)力、金相組織、硬度、氫含量、氫脆敏感性測試與研究，在此基礎(chǔ)上確定了斜支柱開裂的性質(zhì)和原因。

1 試驗過程與結(jié)果

1.1 宏觀觀察

斜支柱外觀如圖1所示，裂紋位于一側(cè)撐桿表面，橫向擴展，裂紋區(qū)表面經(jīng)過打磨后裂紋仍存在。支柱外側(cè)表面打磨除漆后呈銀灰色，內(nèi)壁呈黑色，裂紋大致位于撐桿內(nèi)孔底部轉(zhuǎn)角附近。體視放大觀察，外側(cè)表面裂紋閉合較好，邊緣可見小的曲折，裂紋附近未見明顯缺陷；內(nèi)側(cè)表面較粗糙，局部可見紅銹，黑色區(qū)域內(nèi)隱約可見裂紋。

圖1 開裂斜支柱外觀

使用除銹劑對斷口中部一半斷面進行清洗，斷口表面大部分銹蝕產(chǎn)物被去除，斷面呈銀灰色，均可見顆粒狀反光刻面，多二次裂紋(見圖2)。

圖2 支柱裂紋斷口中部斷面化學(xué)除銹后宏觀形貌

1.2 微觀觀察及能譜分析

將斜支柱裂紋斷口放入JSM-5600LV掃描電鏡(SEM)下進行微觀觀察和能譜分析。去除銹蝕產(chǎn)物前的中部斷面整個斷口均被厚厚的銹蝕產(chǎn)物覆蓋，僅在極少數(shù)產(chǎn)物脫落區(qū)域可見沿晶斷面。能譜結(jié)果顯示，銹蝕產(chǎn)物主要為鐵的氧化物，未見S、Cl腐蝕性元素；除銹劑去除氧化產(chǎn)物后，中部斷面均為沿晶特征，晶粒表面明顯氧化腐蝕，原始斷裂特征消失(見圖3)。

圖3 斷口中部沿晶及二次裂紋

裂紋末端斷面粘去銹蝕產(chǎn)物后觀察，斷面大部分為沿晶斷裂特征，晶粒表面可見撕裂棱，靠近人為打斷區(qū)為沿晶、韌窩混合斷裂特征，人為打斷區(qū)均為韌窩特征(見圖4和圖5)。能譜結(jié)果顯示，去除銹蝕產(chǎn)物的沿晶區(qū)和打斷韌窩區(qū)表面均未見腐蝕性元素。

圖4 裂紋末端斷面沿晶特征

圖5 人為打斷區(qū)韌窩特征

1.3 組織檢查

截取支柱裂紋末端的軸向截面制備金相試樣，低倍可見一條由外向內(nèi)延伸的裂紋，裂紋擴展路徑曲折；電鏡下放大觀察，裂紋內(nèi)充滿銹蝕產(chǎn)物，除了氧元素外，靠近外側(cè)裂紋內(nèi)還存在Si、Ca、Ti污染物，裂紋末端則只見氧化物。支柱基體元素符合30CrMnSiNi2A鋼成分。

浸蝕后觀察支柱的金相組織，支柱表面及裂紋兩側(cè)組織與基體組織一致，均為回火馬氏體組織，未見脫碳等異常組織；裂紋曲折沿晶擴展，主裂紋邊緣可見細小分叉裂紋(見圖6和圖7)。

圖6 裂紋附近金相組織

圖7 斜支柱基體組織

1.4 硬度測試

在斜支柱金相試樣上選取任意5點用HMV-G顯微硬度計測試硬度，根據(jù)GB/T 1172—1999《黑色金屬硬度與強度換算值》換算為抗拉強度，結(jié)果見表1?？梢姡敝е鲄^(qū)域硬度均勻，表面及裂紋兩側(cè)硬度未見異常，換算的抗拉強度處于技術(shù)要求上限。

表1 維氏硬度測試結(jié)果

1.5 氫含量測試

在斜支柱裂紋一側(cè)與相對應(yīng)無裂紋一側(cè)附近分別制取4個φ5×5試樣，采用RH-404型定氫儀測定氫含量，結(jié)果見表2。由結(jié)果可知，裂紋一側(cè)氫含量平均值約為0.7 ppm，無裂紋側(cè)撐桿為0.2 ppm。

表2 氫含量結(jié)果

1.6 殘余應(yīng)力測試

為了考核斜支柱的軸向殘余應(yīng)力狀態(tài)和水平，在X-3000型X射線殘余應(yīng)力測試儀上對無裂紋一側(cè)(A、B)及裂紋一側(cè)(C、D)進行殘余應(yīng)力測試。測試位置選取裂紋附近部位及背面相對部位，每處位置測試4個值，結(jié)果見表3。由結(jié)果可知，斜支柱表面均為殘余壓應(yīng)力，應(yīng)力范圍為-644～-807 MPa，裂紋側(cè)與無裂紋側(cè)殘余應(yīng)力未見明顯差異。

表3 斜支柱撐桿殘余應(yīng)力測試結(jié)果

1.7 氫脆敏感性測試

按照HB 5067.1—2005《鍍覆工藝氫脆試驗 第1部分：機械方法》中圖1“缺口圓棒拉伸試樣圖”加工試樣，無裂紋側(cè)試樣編號為1、3、4，裂紋側(cè)試樣編號為2、5、6。6根試樣中，2根先進行拉伸試驗，測得抗拉強度后，以抗拉強度的75%加載載荷，進行其余4根試樣的200 h氫脆敏感性持久試驗，測試結(jié)果見表4。由結(jié)果可知，兩側(cè)試樣(編號3、4、5、6)在規(guī)定靜力載荷下加載200 h后均未發(fā)生斷裂，通過氫脆試驗。

表4 斜支柱200 h氫脆敏感性試驗結(jié)果

2 分析與討論

對斜支柱帶裂紋樣塊進行外觀檢查，裂紋斷口宏微觀形貌觀察，檢查斜支柱的組織，對兩側(cè)撐桿的殘余應(yīng)力、硬度、氫含量進行測試，并開展氫脆敏感性試驗，主要結(jié)果如下。

1)斜支柱裂紋沿撐桿橫向分布，裂紋大致位于撐桿內(nèi)孔底部轉(zhuǎn)角附近；裂紋起始于外側(cè)表面，由外向內(nèi)擴展，中部穿透壁厚。

2)裂紋斷面大部分被棕紅色銹蝕產(chǎn)物覆蓋，中部貫穿區(qū)銹蝕最重，兩側(cè)末端銹蝕相對較輕，腐蝕產(chǎn)物為鐵的氧化物，未見S、Cl腐蝕性元素。

3)裂紋斷面大部分為沿晶斷裂、多二次裂紋，在裂紋末端可見沿晶與韌窩混合的斷裂特征；大部分沿晶斷面因銹蝕斷裂特征受損，僅裂紋末端斷面較新鮮，晶粒表面可見撕裂棱。

4)斜支柱人為打斷斷口為正常的韌窩特征。

5)斜支柱組織正常，裂紋兩側(cè)未見脫碳組織；硬度均勻，換算強度處于技術(shù)要求上限；材料為30CrMnSiNi2A鋼。

6)斜支柱兩側(cè)撐桿表面軸向均為殘余壓應(yīng)力，應(yīng)力范圍為-644～-807 MPa，兩者無明顯差異。

7)斜支柱2次撐桿硬度相當，均略高于技術(shù)要求。

8)開裂撐桿內(nèi)部氫含量平均值約為0.7 ppm，無裂紋側(cè)撐桿內(nèi)部氫含量平均值約為0.2 ppm。

9)兩側(cè)撐桿在規(guī)定的靜力載荷下持久拉伸200 h未斷裂。

由上述結(jié)果可知，斜支柱裂紋為沿晶穿透性裂紋，超高強度鋼出現(xiàn)沿晶開裂存在如下3種可能[8-9]。

1)氫致延遲開裂。超高強度鋼氫脆為典型沿晶破壞，斜支柱裂紋擴展末端的斷面上晶粒表面可見典型的撕裂棱，具備氫致破壞的特點，斜支柱換算強度偏高也為氫致斷裂提供了條件。但斜支柱并未進行表面電鍍、酸洗，缺乏工藝吸氫條件，開裂撐桿氫含量雖較未開裂的略高，但整體水平很低，并且失效件實物取樣持久拉伸200 h未發(fā)生氫脆斷裂，不具備工藝導(dǎo)致的氫脆斷裂條件，因此撐桿斷口上的氫脆特征應(yīng)該與后期環(huán)境吸氫有關(guān)，如應(yīng)力腐蝕破壞的裂紋尖端也可能因腐蝕產(chǎn)生氫脆斷裂特征。

2)應(yīng)力腐蝕開裂。斜支柱裂紋斷面整體具有明顯腐蝕特征，斷面多二次裂紋，金相中裂紋兩側(cè)多分叉，這些特征符合應(yīng)力腐蝕的特點。斜支柱送檢前已經(jīng)經(jīng)過表面打磨、除漆，表面原始狀態(tài)受到破壞，支柱整體腐蝕情況、裂紋源區(qū)有無分叉裂紋等均無法判斷。但綜合第一條的分析判斷，斜支柱裂紋更符合應(yīng)力腐蝕的特點。

3)熱處理裂紋。高強度鋼在淬火等過程中可能出現(xiàn)淬火裂紋等缺陷，也可能出現(xiàn)沿晶斷面。斜支柱裂紋雖然位于內(nèi)孔底部轉(zhuǎn)角的應(yīng)力集中區(qū)，但裂紋是從外側(cè)起源向內(nèi)擴展，與淬火應(yīng)力不完全一致。同時，裂紋末端斷面新鮮，有氫致延遲擴展痕跡，這與淬火裂紋擴展形式不符。此外，起落架部件制造過程中要經(jīng)過磁力探傷，如此尺寸的熱處理裂紋很難漏檢，因此斜支柱熱處理過程中就已產(chǎn)生裂紋的可能性很小。

綜上所述，斜支柱裂紋為沿晶穿透性裂紋，形態(tài)符合應(yīng)力腐蝕裂紋的特點。建議改善熱處理工藝以降低斜支柱的抗拉強度[10-12]，增加表面處理層[13]以增強材料抗腐蝕能力。

3 結(jié)語

通過上述研究可以得出如下結(jié)論。

1)斜支柱裂紋為沿晶穿透性裂紋，形態(tài)符合應(yīng)力腐蝕裂紋的特點。

2)開裂的斜支柱硬度值較高，超出了技術(shù)要求的上限，組織未見異常。

3)斜支柱的裂紋主要與抗拉強度較高和特殊的高腐蝕使用環(huán)境有關(guān)。