分享：超高強(qiáng)度鋼安裝軸開裂原因

30CrMnSiNi2A鋼是我國航空工業(yè)廣泛應(yīng)用的低合金超高強(qiáng)度鋼，其具有較好的淬透性，經(jīng)熱處理后具有較高的強(qiáng)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(kuò)展速率，但對缺口和氫脆（包括環(huán)境氫脆）較敏感。起落架是飛機(jī)的關(guān)鍵部件之一，可用于支承飛機(jī)質(zhì)量、吸收撞擊能量，要求其具有高的強(qiáng)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(qiáng)度鋼制造及裝配起落架零件。為充分發(fā)揮超高強(qiáng)度鋼的優(yōu)異性能，需要對結(jié)構(gòu)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(qiáng)度鋼自身對氫脆較敏感，如果工藝設(shè)計(jì)和實(shí)施不當(dāng)，會導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)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(jī)輪，安裝軸的材料為30CrMnSiNi2A鋼，熱處理要求強(qiáng)度為（1 666±98） MPa，外表面桿部鍍硬鉻，其余表面進(jìn)行磷化處理。該安裝軸大修后隨飛機(jī)裝機(jī)并使用一段時(shí)間后，經(jīng)磁粉檢測發(fā)現(xiàn)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(xù)，長度不等。采用一系列理化檢驗(yàn)方法對安裝軸裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，并提出了改進(jìn)措施，以避免該類問題再次發(fā)生。 

1.   理化檢驗(yàn)

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(gè)鍍鉻區(qū)域光亮，中間段及左側(cè)端頭支撐面的亮灰色區(qū)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。 

圖  1  開裂安裝軸宏觀形貌

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(qū)域，目視無法辨識裂紋特征，支撐面約3/4周可見磨損發(fā)亮，磨損區(qū)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(jié)合的支撐面局部磨損發(fā)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(qū)域裂紋進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：裂紋位于R角區(qū)域表面，沿周向呈斷續(xù)分布，裂紋區(qū)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(jī)輪等零件配合接觸所致。 

圖  3  R角區(qū)域裂紋在體視顯微鏡下的形貌

將裂紋區(qū)沿縱向垂直表面切割，在裂紋區(qū)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(jié)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(xù)狀，伴隨出現(xiàn)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(qū)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(qū)進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：表面裂紋沿周向斷續(xù)分布，局部還出現(xiàn)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(xiàn)象。 

圖  5  裂紋表面SEM形貌

利用掃描電鏡對多處裂紋斷口進(jìn)行觀察，結(jié)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(kuò)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(qū)域呈沿晶形貌，晶粒表面較干凈；人為打斷區(qū)和裂紋斷面處的分界線明顯，形貌由沿晶特征轉(zhuǎn)變?yōu)轫g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(qū)，并經(jīng)過裂紋區(qū)取樣，對各位置試樣分別進(jìn)行能譜分析，結(jié)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(guān)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(guān)，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(zhì)轉(zhuǎn)移附著；裂紋區(qū)、過渡區(qū)斷口表面除含有正?；w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(xiàn)象，但未見Cl、S等外來腐蝕介質(zhì)元素；瞬斷區(qū)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。 

利用掃描電鏡對斷續(xù)裂紋進(jìn)行觀察，結(jié)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(xiàn)沿晶+疲勞擴(kuò)展的斷口形貌，整個(gè)沿晶區(qū)由表面向內(nèi)部分為兩個(gè)晶粒尺寸不同的區(qū)域；由局部的沿晶和疲勞形貌可知，在表層出現(xiàn)了深度較淺的脆性裂紋，且該裂紋尖端受交變載荷作用，進(jìn)而發(fā)生疲勞擴(kuò)展。 

圖  7  斷續(xù)裂紋斷口SEM形貌

1.3   金相檢驗(yàn)

在安裝軸的裂紋區(qū)縱向切取金相試樣，使用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸乙醇溶液腐蝕試樣，將試樣置于光學(xué)顯微鏡下觀察，結(jié)果如圖8所示。由圖8可知：裂紋在R區(qū)弧面與切向垂直向內(nèi)分布，裂紋起始端縫隙較大，呈沿晶特征，裂紋向內(nèi)呈沿晶分叉狀擴(kuò)展，裂紋兩側(cè)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(qū)域微觀形貌

1.4   硬度測試

對金相試樣進(jìn)行顯微硬度測試，結(jié)果顯示：試樣的硬度平均值為519 HV0.5，換算成強(qiáng)度為1 757 MPa，結(jié)果符合要求。 

1.5   化學(xué)成分分析

采用光譜分析方法對安裝軸基體材料進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表2所示。由表2可知：安裝軸基體的化學(xué)成分符合GJB 1951—1994 《航空用優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼棒規(guī)范》對30CrMnSiNi2A鋼的要求。 

2.   綜合分析

由宏觀觀察結(jié)果可知：裂紋位于支撐面端頭附近R角區(qū)域，沿R角弧面周向斷續(xù)分布，裂紋區(qū)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(jié)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(xiàn)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(xiàn)不連續(xù)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(kuò)展臺階，撕裂棱線明顯，由表面向內(nèi)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(qū)和裂紋沿晶形貌的界限明顯，晶面上出現(xiàn)撕裂棱線特征。裂紋在R區(qū)弧面與切向垂直向內(nèi)分布，裂紋起始端縫隙較大，呈沿晶特征，裂紋向內(nèi)呈沿晶分叉狀擴(kuò)展，裂紋兩側(cè)組織無脫碳現(xiàn)象。說明安裝軸開裂性質(zhì)為沿晶脆性開裂。 

超高強(qiáng)度鋼零件服役過程中產(chǎn)生沿晶裂紋的主要原因有應(yīng)力腐蝕、氫脆和回火脆等。上述理化檢驗(yàn)結(jié)果表明，該安裝軸不具備應(yīng)力腐蝕的環(huán)境條件，且不存在回火脆。安裝軸上裂紋所在的R角表面經(jīng)過磷化處理工藝，且之前還經(jīng)歷了鍍鉻工序，表面處理過程存在氫元素進(jìn)入材料基體的條件，且熱處理強(qiáng)度較高，對氫脆敏感，結(jié)合裂紋的分布特征及斷口形貌可確定，安裝軸發(fā)生了氫脆開裂[1]。 

安裝軸支撐面約3/4周可見磨損發(fā)亮，磨損區(qū)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(fā)生了局部偏磨現(xiàn)象，斷口呈沿晶+疲勞擴(kuò)展形貌，表明安裝軸在使用中受到交變應(yīng)力作用，早期的沿晶裂紋發(fā)生疲勞擴(kuò)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(xiàn)疲勞擴(kuò)展，說明安裝軸在大修安裝后受力狀態(tài)改變，局部位置產(chǎn)生較大的交變應(yīng)力，該位置與表面脆性微裂紋區(qū)吻合，也表明安裝軸支撐面的預(yù)緊應(yīng)力較小。 

安裝軸裝配后，機(jī)輪在機(jī)構(gòu)中旋轉(zhuǎn)，光桿表面主要受剪切應(yīng)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(yīng)力集中位置，但是應(yīng)力較小，因此表面較深的沿晶裂紋未發(fā)生明顯的疲勞擴(kuò)展。 

該開裂安裝軸的熱處理強(qiáng)度符合標(biāo)準(zhǔn)要求，組織為回火馬氏體，未見冶金缺陷，表明其熱處理狀態(tài)正常。 

3.   結(jié)論與建議

安裝軸的R角根部表面轉(zhuǎn)角區(qū)經(jīng)磷化處理以及表面鍍鉻處理后，產(chǎn)生了早期氫脆裂紋，安裝軸在大修安裝后受力狀態(tài)改變，裂紋發(fā)生疲勞擴(kuò)展，最終導(dǎo)致安裝軸開裂。 

建議在零件制造過程中對軸的R角進(jìn)行擠壓強(qiáng)化處理，嚴(yán)格控制表面處理工藝中的消除殘余應(yīng)力和除氫工序，對工藝過程進(jìn)行氫脆性評定，以防止安裝軸產(chǎn)生氫脆裂紋；應(yīng)避免支撐面區(qū)域在使用過程中出現(xiàn)偏磨等問題，以降低該區(qū)域的交變應(yīng)力水平。

文章來源——材料與測試網(wǎng)