圖 1 開裂安裝軸宏觀形貌
分享：超高強度鋼安裝軸開裂原因
30CrMnSiNi2A鋼是我國航空工業廣泛應用的低合金超高強度鋼，其具有較好的淬透性，經熱處理后具有較高的強度、塑性和韌性，以及良好的抗疲勞性和斷裂韌性，低的疲勞裂紋擴展速率，但對缺口和氫脆（包括環境氫脆）較敏感。起落架是飛機的關鍵部件之一，可用于支承飛機質量、吸收撞擊能量，要求其具有高的強度和韌性、良好的耐腐蝕性和抗疲勞性等，因此常選用超高強度鋼制造及裝配起落架零件。為充分發揮超高強度鋼的優異性能，需要對結構中零件采用不同的處理工藝，通常采用電鍍或磷化等表面處理方法提高零件的耐腐蝕性能。但是表面處理工藝與超高強度鋼自身對氫脆較敏感，如果工藝設計和實施不當，會導致產品出現質量問題，影響起落架的安全使用。
將安裝軸與前起落架輪叉連接，用于安裝前機輪，安裝軸的材料為30CrMnSiNi2A鋼，熱處理要求強度為（1 666±98） MPa，外表面桿部鍍硬鉻，其余表面進行磷化處理。該安裝軸大修后隨飛機裝機并使用一段時間后，經磁粉檢測發現在安裝軸端頭支撐面附近的R角周向有多處裂紋，裂紋斷續，長度不等。采用一系列理化檢驗方法對安裝軸裂紋產生的原因進行分析，并提出了改進措施，以避免該類問題再次發生。
1. 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
開裂安裝軸宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：光桿部位兩個鍍鉻區域光亮，中間段及左側端頭支撐面的亮灰色區為磷化處理表面，鍍鉻層表面沿周向可見磨損痕，有些磨痕與周向呈傾斜角度。
安裝軸支撐面R角周向表面宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知：裂紋位于支撐面附近R角區域，目視無法辨識裂紋特征，支撐面約3/4周可見磨損發亮，磨損區寬度相近，局部R角根部有周向擠壓痕，端頭四方面表面完整，相鄰四方面與圓角結合的支撐面局部磨損發亮，表面的磷化層呈亮灰色。
圖 2 安裝軸支撐面R角周向表面宏觀形貌
在體視顯微鏡下對R角區域裂紋進行觀察，結果如圖3所示。由圖3可知：裂紋位于R角區域表面，沿周向呈斷續分布，裂紋區約占2/5圓周，在裂紋附近的支撐面上可見周向局部磨損痕，寬度相近，磨損程度逐漸減輕，這些表面磨損痕跡由裝配后與機輪等零件配合接觸所致。
圖 3 R角區域裂紋在體視顯微鏡下的形貌
將裂紋區沿縱向垂直表面切割，在裂紋區背面周向用砂輪打磨減薄截面，打斷后觀察斷口的宏觀形貌，結果如圖4所示。由圖4可知：靠近切割邊緣的裂紋較長，其斷面寬度相近，寬度約為0.39 mm，斷面較平齊，表面較粗糙，呈暗褐色；裂紋呈不連續狀，伴隨出現兩處小裂紋斷面，裂紋長度分別為2.83，2.16 mm，裂紋深度為0.17 mm，呈暗褐色，打斷區呈亮灰金屬色，撕裂棱線明顯。
圖 4 裂紋斷口宏觀形貌
1.2 掃描電鏡（SEM）及能譜分析
用掃描電鏡對裂紋區進行觀察，結果如圖5所示。由圖5可知：表面裂紋沿周向斷續分布，局部還出現并列排布裂紋，裂紋附近表面膜層吻合性較好，磷化層表面呈針狀形貌，無明顯膜層損傷、缺失現象。
圖 5 裂紋表面SEM形貌
利用掃描電鏡對多處裂紋斷口進行觀察，結果如圖6所示。由圖6可知：各處裂紋的深度相近，斷口呈沿晶形貌，局部可見擴展臺階，附近撕裂棱線明顯，靠近膜層的斷口晶面上局部有附著物聚集，斷口中部區域呈沿晶形貌，晶粒表面較干凈；人為打斷區和裂紋斷面處的分界線明顯，形貌由沿晶特征轉變為韌窩特征，晶面上可見撕裂棱線形貌，且伴有沿晶二次裂紋。
圖 6 裂紋斷口SEM形貌
在斷口上從膜層向基體瞬斷區，并經過裂紋區取樣，對各位置試樣分別進行能譜分析，結果如表1所示。由表1可知：膜層表面主要含有磷化處理的相關元素，如P、Zn、K、Ca等元素，其中C、O元素含量較多，與表面裸露有關，膜層附近的斷面上存在少量的膜層成分，C、O元素含量變少，說明裂紋開口縫隙的膜層物質轉移附著；裂紋區、過渡區斷口表面除含有正常基體元素外，還含有C、O元素及微量Zn元素，說明裂紋表面有氧化現象，但未見Cl、S等外來腐蝕介質元素；瞬斷區為正常的材料基體成分，由于斷面較新鮮，其表面氧元素含量較少。
Table 1. 斷口表面能譜分析結果
| 分析位置 | 質量分數 | ||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| C | O | Si | P | K | Ca | Cr | Mn | Fe | Ni | Zn | |
| 膜層 | 27.24 | 27.85 | 0.23 | 8.96 | 0.16 | 0.39 | - | 1.62 | 3.52 | - | 20.62 |
| 膜層附近 | 3.61 | 1.35 | 0.91 | 0.43 | - | - | 0.88 | 1.51 | 88.58 | 1.65 | 1.07 |
| 裂紋斷口 | 3.08 | 5.28 | 1.16 | - | - | - | 1.09 | 1.24 | 86.36 | 1.78 | 0.08 |
| 過渡區斷口 | 2.35 | 3.28 | 0.99 | - | - | - | 1.04 | 1.18 | 89.49 | 1.65 | 0.03 |
| 瞬斷區 | 3.98 | 0.74 | 1.20 | - | - | - | 0.99 | 1.33 | 89.34 | 1.90 | - |
利用掃描電鏡對斷續裂紋進行觀察，結果如圖7所示。由圖7可知：多處微裂紋斷口均呈沿晶特征，但局部裂紋還出現沿晶+疲勞擴展的斷口形貌，整個沿晶區由表面向內部分為兩個晶粒尺寸不同的區域；由局部的沿晶和疲勞形貌可知，在表層出現了深度較淺的脆性裂紋，且該裂紋尖端受交變載荷作用，進而發生疲勞擴展。
圖 7 斷續裂紋斷口SEM形貌
1.3 金相檢驗
在安裝軸的裂紋區縱向切取金相試樣，使用體積分數為4%的硝酸乙醇溶液腐蝕試樣，將試樣置于光學顯微鏡下觀察，結果如圖8所示。由圖8可知：裂紋在R區弧面與切向垂直向內分布，裂紋起始端縫隙較大，呈沿晶特征，裂紋向內呈沿晶分叉狀擴展，裂紋兩側組織無脫碳，基體組織為回火馬氏體，未見冶金缺陷。
圖 8 裂紋區域微觀形貌
1.4 硬度測試
對金相試樣進行顯微硬度測試，結果顯示：試樣的硬度平均值為519 HV0.5，換算成強度為1 757 MPa，結果符合要求。
1.5 化學成分分析
采用光譜分析方法對安裝軸基體材料進行化學成分分析，結果如表2所示。由表2可知：安裝軸基體的化學成分符合GJB 1951—1994 《航空用優質結構鋼棒規范》對30CrMnSiNi2A鋼的要求。
Table 2. 安裝軸基體的化學成分分析結果
| 項目 | 質量分數 | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| C | Mn | Si | Cr | Ni | S | P | Fe | |
| 實測值 | 0.29 | 1.18 | 1.05 | 0.97 | 1.67 | 0.010 | 0.008 | 余量 |
| 標準值 | 0.27~0.34 | 1.00~1.30 | 0.90~1.20 | 0.90~1.20 | 1.40~1.80 | ≤0.015 | ≤0.025 | 余量 |
2. 綜合分析
由宏觀觀察結果可知：裂紋位于支撐面端頭附近R角區域，沿R角弧面周向斷續分布，裂紋區約占2/5圓周，在裂紋附近的支撐面上可見周向局部磨損痕跡，痕跡的寬度相近，磨損程度逐漸減輕。掃描電鏡分析結果顯示，裂紋附近表面膜層較完整，局部裂紋呈并列排布，磷化層表面呈針狀形貌，無明顯膜層損傷、缺失現象；裂紋斷面寬度相近，斷面較平齊，表面較粗糙，呈暗褐色，裂紋呈現不連續狀分布，裂紋長度較短、深度較淺。
裂紋呈沿晶形貌，局部可見擴展臺階，撕裂棱線明顯，由表面向內部的晶面及附著物除含有基體元素外，還含有O、P、Zn等元素，說明斷面上的附著物主要為表面膜層成分，無明顯外來腐蝕性元素。打斷區和裂紋沿晶形貌的界限明顯，晶面上出現撕裂棱線特征。裂紋在R區弧面與切向垂直向內分布，裂紋起始端縫隙較大，呈沿晶特征，裂紋向內呈沿晶分叉狀擴展，裂紋兩側組織無脫碳現象。說明安裝軸開裂性質為沿晶脆性開裂。
超高強度鋼零件服役過程中產生沿晶裂紋的主要原因有應力腐蝕、氫脆和回火脆等。上述理化檢驗結果表明，該安裝軸不具備應力腐蝕的環境條件，且不存在回火脆。安裝軸上裂紋所在的R角表面經過磷化處理工藝，且之前還經歷了鍍鉻工序，表面處理過程存在氫元素進入材料基體的條件，且熱處理強度較高，對氫脆敏感，結合裂紋的分布特征及斷口形貌可確定，安裝軸發生了氫脆開裂[1]。
安裝軸支撐面約3/4周可見磨損發亮，磨損區寬度相近，局部R角根部有周向擠壓痕跡，表明軸裝配使用中支撐面發生了局部偏磨現象，斷口呈沿晶+疲勞擴展形貌，表明安裝軸在使用中受到交變應力作用，早期的沿晶裂紋發生疲勞擴展。較長的裂紋深度較深，其沿晶形貌和瞬斷韌窩界線明顯，未出現疲勞擴展，說明安裝軸在大修安裝后受力狀態改變，局部位置產生較大的交變應力，該位置與表面脆性微裂紋區吻合，也表明安裝軸支撐面的預緊應力較小。
安裝軸裝配后，機輪在機構中旋轉，光桿表面主要受剪切應力的作用，軸的端面支撐面僅起到位置限定的作用，雖然R角根部為應力集中位置，但是應力較小，因此表面較深的沿晶裂紋未發生明顯的疲勞擴展。
該開裂安裝軸的熱處理強度符合標準要求，組織為回火馬氏體，未見冶金缺陷，表明其熱處理狀態正常。
3. 結論與建議
安裝軸的R角根部表面轉角區經磷化處理以及表面鍍鉻處理后，產生了早期氫脆裂紋，安裝軸在大修安裝后受力狀態改變，裂紋發生疲勞擴展，最終導致安裝軸開裂。
建議在零件制造過程中對軸的R角進行擠壓強化處理，嚴格控制表面處理工藝中的消除殘余應力和除氫工序，對工藝過程進行氫脆性評定，以防止安裝軸產生氫脆裂紋；應避免支撐面區域在使用過程中出現偏磨等問題，以降低該區域的交變應力水平。
文章來源——材料與測試網
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