30CrMnSiA鋼制三向接頭開裂分析

李春光，王大為，馬曉明

（1.中國民航科學(xué)技術(shù)研究院，北京 100028；2.成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，成都 610092）

0 引言

三向接頭是液壓系統(tǒng)中常見的連接部件，用以連接剛性或柔性的管路［1-2］，但由于結(jié)構(gòu)上經(jīng)常會(huì)開有溝槽等以便連接，存在應(yīng)力集中，易在溝槽部位發(fā)生開裂［3］。某型飛機(jī)液壓系統(tǒng)三向接頭先后兩次在接頭右側(cè)的槽底根部截面過渡位置出現(xiàn)開裂并導(dǎo)致漏油，其接頭的結(jié)構(gòu)和裂紋位置見圖1。該三向接頭材料為30CrMnSiA鋼，工藝過程為鍛造→機(jī)加→淬火→回火→零件鍍鎘→除氫，工藝要求處理后σb=1 180±100 MPa。2件開裂的三向接頭的工作環(huán)境和工作應(yīng)力較接近，材料和結(jié)構(gòu)相同。

通過斷口宏微觀觀察、金相組織檢查、硬度測(cè)試、化學(xué)成分分析等方法對(duì)2件三向接頭的開裂情況進(jìn)行綜合分析，以確定三向接頭開裂性質(zhì)和原因。

圖1 三向接頭宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the three-dimensional joint

1 試驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1 宏觀觀察

2件三向接頭分別表示為接頭A、B，裂紋打開后的斷口宏觀形貌分別見圖2a和圖2b，可見兩斷口宏觀特征相似，有一定的高差，斷口下側(cè)較平坦光滑，基本沿其截面變化位置重合，范圍略大于整個(gè)圓周的1/3，宏觀上可見疲勞弧線的特征。斷口左右兩側(cè)表面則較粗糙，存在高度上的起伏。從宏觀特征上可以判斷，斷口下側(cè)平坦區(qū)為疲勞區(qū)，裂紋應(yīng)從區(qū)域下側(cè)邊緣起源。

圖2 2件三向接頭斷口宏觀形貌Fig.2 Morphology of fracture surfaces of the three-dimensional joints

1.2 微觀觀察

在掃描電鏡下對(duì)2件三向接頭斷口的微觀特征進(jìn)行觀察。接頭A斷口典型特征分別見圖3和圖4。斷口下側(cè)平坦區(qū)整體的微觀形貌見圖3a，可見該區(qū)域平坦光滑，有明顯的疲勞弧線特征，裂紋起源于斷口外側(cè)的邊緣位置，為線源特征；源區(qū)高倍特征見圖3b，可見源區(qū)磨損比較嚴(yán)重，局部存在擠壓擦傷特征。裂紋起源后沿徑向（壁厚方向）和周向2個(gè)方向擴(kuò)展，疲勞擴(kuò)展充分，可見典型的疲勞條帶特征（圖4a～圖4c）。疲勞擴(kuò)展區(qū)約占整個(gè)圓周面積的2/3。

圖3 A斷口疲勞源區(qū)的特征Fig.3 Microscopic feature of fatigue origin zone of A fracture surface

圖4 A接頭斷口疲勞擴(kuò)展特征Fig.4 Fatigue propagation feature of A fracture surface

接頭B斷口的特征與接頭A斷口基本一致，同樣是從外側(cè)邊緣起源，線源特征，疲勞裂紋沿徑向和周向擴(kuò)展，疲勞擴(kuò)展區(qū)可見典型的疲勞條帶特征（圖 5）。

圖5 B接頭斷口疲勞擴(kuò)展特征Fig.5 Fatigue propagation feature of B fracture surface

2個(gè)斷口源區(qū)側(cè)面均較粗糙，可見明顯的加工刀痕，截面過渡根部圓角不明顯，見圖6。

圖6 斷口源區(qū)側(cè)面形貌Fig.6 Morphology of lateral side of fatigue origin

1.3 壁厚及倒圓半徑測(cè)量

對(duì)2件三向接頭斷口源區(qū)附近溝槽壁厚進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果顯示，接頭A溝槽壁厚約為1.30 mm，接頭B溝槽壁厚約為1.49 mm，與規(guī)定的厚度1.5 mm相差不大。

對(duì)2件三向接頭斷口位置溝槽根部的倒圓尺寸進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果見圖7?？梢姕喜鄹繄A角約為0.3～0.5 mm，圓角半徑較小，且倒圓質(zhì)量不好，過渡不圓滑。

圖7 三向接頭溝槽底部圓角測(cè)量Fig.7 Round angle of the groove

1.4 硬度測(cè)試

分別在2件三向接頭斷口附近取樣，檢查其硬度，結(jié)果見表1。可見，2件三向接頭的硬度均勻，換算后的抗拉強(qiáng)度略高于上限，但考慮到維氏硬度檢測(cè)及換算誤差，可認(rèn)為三向接頭材料的抗拉強(qiáng)度符合規(guī)定。

1.5 金相檢驗(yàn)和化學(xué)成分分析

分別在2件三向接頭斷口附近取樣，磨制拋光后檢測(cè)其金相組織，檢查結(jié)果表明2件三向接頭的組織均為回火索氏體組織，組織均勻，未見異常。采用化學(xué)法測(cè)量材料中元素的化學(xué)成分，結(jié)果表明材料的化學(xué)成分均符合技術(shù)要求。

表1 硬度檢測(cè)結(jié)果Table 1 Hardness of two three-dimensional joints

2 分析與討論

2件三向接頭斷口均起源于管壁外側(cè)槽底根部，為線源特征，槽底根部圓角很?。辉磪^(qū)磨損較嚴(yán)重，裂紋起源后沿徑向和周向2個(gè)方向擴(kuò)展，在擴(kuò)展區(qū)可見明顯的疲勞特征，尤其是周向擴(kuò)展過程中可見明顯的疲勞條帶特征，因此可以判斷，三向接頭裂紋性質(zhì)為疲勞裂紋［4］。

構(gòu)件發(fā)生疲勞開裂的原因是其所承受的交變應(yīng)力超過了自身的承載能力。三向接頭的工作應(yīng)力并非交變應(yīng)力，因此，導(dǎo)致其疲勞開裂應(yīng)力應(yīng)為振動(dòng)應(yīng)力。三向接頭的疲勞裂紋起源于具有較強(qiáng)的應(yīng)力集中的溝槽底部，小線源特征，初始疲勞擴(kuò)展區(qū)平坦；疲勞裂紋在周向和徑向兩個(gè)方向上擴(kuò)展充分，徑向上裂紋已疲勞擴(kuò)展至內(nèi)壁位置，周向上疲勞裂紋面積均占整個(gè)圓周的2/3或以上。上述特征表明三向接頭在疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展的整個(gè)過程所承受的應(yīng)力并不大。

三向接頭直管兩端與金屬管路連接，屬剛性結(jié)構(gòu)。當(dāng)三向接頭承受振動(dòng)應(yīng)力作用時(shí)，由于溝槽位置的截面積僅約為管路其它位置的45%，溝槽位置的名義應(yīng)力大約為管路其它位置名義應(yīng)力的兩倍，溝槽區(qū)域?yàn)檎麄€(gè)三向接頭上應(yīng)力最大位置，且溝槽位置的壁厚又僅約為1.5 mm，其抵抗疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展的能力差；因此，溝槽位置在結(jié)構(gòu)上為整個(gè)三向接頭的最危險(xiǎn)部位，最容易在此位置發(fā)生失效。

由于溝槽位置的壁厚僅約為相鄰管路的一半，在二者過渡位置如果不進(jìn)行倒圓處理使截面平滑過渡，截面突變會(huì)使溝槽根部形成很大的應(yīng)力集中，溝槽根部越尖銳，應(yīng)力集中系數(shù)越大。兩件三向接頭溝槽根部的倒圓較小或未倒圓，且溝槽根部的加工質(zhì)量差，存在著明顯的加工刀痕，造成溝槽根部存在較大的應(yīng)力集中，也是三向接頭發(fā)生疲勞開裂的重要原因。

3 改進(jìn)措施

從試驗(yàn)結(jié)果和分析上看，三向接頭發(fā)生疲勞開裂應(yīng)與應(yīng)力過大無關(guān)，而主要與三向接頭自身存在著結(jié)構(gòu)薄弱部位有關(guān)，即溝槽位置的壁厚與其他位置相比過薄，該位置的名義應(yīng)力大；此外，溝槽根部未進(jìn)行平滑過渡，存在截面突變且加工質(zhì)量差，應(yīng)力集中嚴(yán)重［5］，改進(jìn)措施如下：

1）在不影響裝配和使用的前提下，應(yīng)盡量增大溝槽位置的壁厚，使其盡量接近管路的平均壁厚，降低溝槽位置的名義應(yīng)力；

2）同時(shí)避免溝槽位置形成截面突變，使其與管壁連接位置盡量平滑過渡，避免出現(xiàn)尖角，出現(xiàn)大的應(yīng)力集中；

3）盡量保證加工質(zhì)量，避免因加工表面粗糙形成附加的應(yīng)力集中。

4 結(jié)論

1）所分析的2件三向接頭的開裂性質(zhì)均為疲勞開裂，疲勞開裂的原因與三向接頭溝槽位置的壁厚較薄和根部的應(yīng)力集中較大有關(guān)；

2）在不影響使用的情況下，建議盡量增大溝槽位置的壁厚，盡量使溝槽根部平滑過渡，并保證加工質(zhì)量，降低溝槽根部的應(yīng)力集中系數(shù)。

［1］金鑫.民用飛機(jī)液壓系統(tǒng)管路連接件分析［J］.民用飛機(jī)設(shè)計(jì)與研究，2007（2）:17-19.

［2］劉紅.飛機(jī)液壓導(dǎo)管開裂分析［J］.失效分析與預(yù)防，2009，4（4）:229-233.

［3］胡安輝,劉長(zhǎng)牢,邵超.防喘壓力信號(hào)管斷裂分析［J］.2009，4（3）:161-164.

［4］張棟,鐘培道,陶春虎.失效分析［M］.北京:國防工業(yè)出版社,2004.

［5］陶春虎,劉高遠(yuǎn),恩云飛,等.軍工產(chǎn)品失效分析技術(shù)手冊(cè)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2009.