飛機(jī)剎車盤鋼夾斷裂分析

袁建宇，逄錦程，韓 露

(航天材料及工藝研究所，北京 100076)

飛機(jī)剎車盤鋼夾斷裂分析

袁建宇，逄錦程，韓 露

(航天材料及工藝研究所，北京 100076)

飛機(jī)剎車盤鋼夾在使用過(guò)程中發(fā)生斷裂。利用體視顯微鏡、金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡、能譜儀等手段對(duì)發(fā)生斷裂的鋼夾的斷口宏觀微觀形貌、組織、微區(qū)成分和顯微硬度進(jìn)行分析。結(jié)果表明：鋼夾的斷裂模式為疲勞斷裂；斷裂原因與鋼夾材料硬度明顯低于設(shè)計(jì)要求，顯微組織中存在大量條狀氧化物夾雜(大于3級(jí))，導(dǎo)致材料強(qiáng)度降低、承載能力不足有關(guān)；建議嚴(yán)格控制鋼夾熱處理工藝，原材料缺陷以及零件裝配公差。

炭/炭剎車盤鋼夾；疲勞斷裂；硬度；氧化物夾雜；裝配公差

0 引言

飛機(jī)在著陸過(guò)程中依靠剎車盤中動(dòng)盤和靜盤之間的摩擦將飛機(jī)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，從而達(dá)到減速的目的。飛機(jī)著陸時(shí)機(jī)輪受到的沖擊和振動(dòng)是難以避免的，必須要有金屬件作為傳力和保護(hù)結(jié)構(gòu)，防止剎車盤受到機(jī)輪的直接沖擊和碰撞，并減少剎車盤鍵槽的磨損，最終提高剎車盤的使用壽命[1-2]。這是由于剎車盤的主要成份是碳纖維和化學(xué)氣相沉積、浸積增密后形成的結(jié)構(gòu)碳，這種材料承受沖擊和碰撞的能力不佳，極易由于受到?jīng)_擊作用發(fā)生損壞，因此受沖擊的部分必須受到金屬件的保護(hù)[3]。因此，金屬件是飛機(jī)剎車盤結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，其材料和性能直接關(guān)系到飛機(jī)剎車過(guò)程的順利進(jìn)行。

金屬件在剎車盤齒面上一般做成鋼夾形狀，用鉚釘與剎車盤固定，典型剎車盤整體結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。由于飛機(jī)剎車時(shí)剎車盤的溫度急劇升高，因此，要求鋼夾同時(shí)具有一定的強(qiáng)度和良好的耐高溫性能[4]。此外，鋼夾需要承受飛機(jī)反復(fù)起降過(guò)程中產(chǎn)生的疲勞應(yīng)力，因此需要具備良好的抗疲勞性能[4]。在實(shí)際使用中，要求鋼夾能在交變溫度和復(fù)雜應(yīng)力下長(zhǎng)期工作，并與剎車盤配合良好，對(duì)鋼夾的材料、熱處理工藝、力學(xué)性能以及裝配精度提出了較高的要求。如果鋼夾的質(zhì)量控制不嚴(yán)格，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，將會(huì)造成該零件在使用過(guò)程中的斷裂，直接危及飛機(jī)的飛行安全[5]。

某型飛機(jī)剎車盤上050位置的靜盤鋼夾發(fā)生斷裂，靜盤內(nèi)緣有10個(gè)凸榫，每個(gè)凸榫有2個(gè)鋼夾，每個(gè)鋼夾用2個(gè)鉚釘鉚接在剎車盤上。鋼夾材料牌號(hào)為2Cr13，加工工藝為:下料→850 ℃完全退火處理→熱沖壓成型→最終熱處理(1 030 ℃淬火+530 ℃回火)，硬度要求HRC 30～36。本研究通過(guò)對(duì)該型飛機(jī)剎車盤鋼夾的宏觀形貌及斷口觀察，并結(jié)合金相分析、SEM斷口分析和能譜分析等方法，對(duì)引起鋼夾斷裂的因素進(jìn)行分析和討論，揭示該類零件的斷裂原因，為產(chǎn)品的安全、延壽提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

1.1 失效件宏觀觀察

斷裂鋼夾宏觀形貌見圖2，目視可見鋼夾在一側(cè)第1個(gè)鉚釘孔中部發(fā)生斷裂，兩側(cè)第2個(gè)鉚釘孔中部均存在裂紋。鋼夾整體存在一定的塑性變形，鉚釘孔內(nèi)壁均存在不同程度的擠壓變形和磨損痕跡，部分鉚釘孔外側(cè)表面可見周向不同程度的犁削損傷。

將斷口置于體視顯微鏡下進(jìn)行觀察，可見兩個(gè)斷面宏觀形貌較為一致(圖3)：斷面平坦，存在一定的磨損痕跡，磨損處可見金屬光澤；源區(qū)位于鉚釘孔內(nèi)壁，擴(kuò)展區(qū)可見多條明顯的疲勞弧線，疲勞區(qū)約占整個(gè)斷面面積的80%以上，瞬斷區(qū)所占面積較小。從鋼夾的斷裂情況進(jìn)行判斷，斷裂位置均位于鉚釘孔結(jié)構(gòu)薄弱、應(yīng)力集中部位；疲勞裂紋的擴(kuò)展方向與斷面上呈扇面形的弧形線相垂直；從疲勞斷裂面積與瞬時(shí)斷裂面積的比例判斷，疲勞應(yīng)力較小[6]。

圖1 剎車盤整體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic illustration of the overall structure of the brake plate

圖2 斷裂鋼夾宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of the carbon/carbon brake plate clamp

1.2 失效件微觀觀察

將鋼夾斷面清洗后置于掃描電鏡下進(jìn)行形貌觀察，斷面源區(qū)位于鉚釘孔內(nèi)壁應(yīng)力集中部位，呈疲勞條帶+磨損形貌，未見明顯材料缺陷，擴(kuò)展區(qū)呈疲勞條帶形貌，局部位置可見磨損痕跡，瞬斷區(qū)磨損嚴(yán)重，部分區(qū)域可見剪切韌窩形貌(圖4)。從鋼夾斷口宏微觀形貌判斷，鋼夾的斷裂模式應(yīng)為疲勞斷裂。

圖3 鋼夾斷口宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of the clamp fracture

圖4 鋼夾斷口微觀形貌Fig.4 Micro morphology of clamp fracture

1.3 材質(zhì)檢查

1)金相組織。

將斷裂鋼夾制備成金相試樣進(jìn)行觀察，可見組織為回火索氏體，組織中存在明顯的變形流線，表明鋼夾應(yīng)經(jīng)歷了變形過(guò)程(圖5)。從圖5中可以看到，金相試樣的微觀組織與鋼夾熱處理工藝相符[7-8]。此外，微觀組織中可見較多條狀?yuàn)A雜物存在，參照GB/T 10561—2005標(biāo)準(zhǔn)對(duì)夾雜進(jìn)行評(píng)級(jí)，評(píng)級(jí)結(jié)果大于3級(jí)，不滿足設(shè)計(jì)要求。雖然在鋼夾疲勞源區(qū)未見明顯材料缺陷，但鋼夾作為剎車盤的重要結(jié)構(gòu)，整個(gè)材料的夾雜物等級(jí)都應(yīng)控制在1級(jí)以內(nèi)。

圖5 顯微組織形貌Fig.5 Clamp microstructure

2)硬度檢測(cè)。

對(duì)金相試樣進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，鋼夾中部顯微硬度的測(cè)試結(jié)果為HV0.2267.8，鋼夾斷口附近的顯微硬度測(cè)試結(jié)果為HV0.2238.6，明顯低于鋼夾中部的測(cè)試結(jié)果。兩處硬度的差異表明鋼夾斷口附近相比鋼夾中部經(jīng)歷了更高的溫度作用。將維氏硬度值換算為HRC，兩處區(qū)域的硬度值均明顯低于設(shè)計(jì)要求的HRC 30～36(表1)。材料硬度偏低可能與兩方面原因有關(guān)：一是由于剎車盤在剎車過(guò)程中溫度較高(最高可達(dá)500～600 ℃)，鋼夾在使用過(guò)程中經(jīng)歷了高溫作用，這也與鋼夾中部硬度高于斷口附近硬度的現(xiàn)象相符；二是由于鋼夾熱處理工藝不當(dāng)，導(dǎo)致鋼夾本身的硬度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。不管由于上述哪種原因，鋼夾硬度均明顯低于設(shè)計(jì)要求，這反映了鋼夾的材料強(qiáng)度不足，會(huì)降低材料的承載能力和抗疲勞能力，應(yīng)為鋼夾斷裂的主要原因。

3)成分分析。

采用背散射圖像對(duì)金相試樣進(jìn)行觀察，可見夾雜物呈條帶狀分布(圖6)，對(duì)其進(jìn)行能譜成分分析，主要含有Al、Si、Ca、O等元素，應(yīng)為氧化物夾雜；對(duì)基體進(jìn)行能譜成分分析，主要含有Fe、13.77%Cr、0.53%Si(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，主合金元素及含量與2Cr13合金牌號(hào)成分相符。

表1 鋼夾中部及斷口附近硬度測(cè)量值

2 分析與討論

宏微觀觀察結(jié)果表明，鋼夾疲勞源區(qū)位于鉚釘孔內(nèi)壁，鉚釘孔內(nèi)壁存在不同程度的擠壓變形和磨損痕跡。鉚釘孔內(nèi)壁之所以會(huì)萌生疲勞裂紋，與其經(jīng)受鉚釘作用的交變應(yīng)力有關(guān)。在交變應(yīng)力作用下，鉚釘孔與鉚釘?shù)呐浜锨闆r逐漸惡化，二者不斷發(fā)生相互擠壓、磨損，導(dǎo)致鉚釘孔發(fā)生一定程度的變形，其孔徑不斷增加，促進(jìn)了疲勞裂紋的萌生。為了防止鉚釘孔與鉚釘?shù)呐浜锨闆r惡化，需要鋼夾與鉚釘裝配良好，且高溫下的熱膨脹系數(shù)相互匹配；另一方面，還需要在加工過(guò)程中，嚴(yán)格控制各工件的精度公差。配合太緊，鋼夾與剎車盤、鉚釘不能順利組裝，甚至破壞剎車盤的齒面；配合太松，剎車時(shí)鉚釘會(huì)在鋼夾鉚釘孔內(nèi)竄動(dòng)，反復(fù)多次，會(huì)使鉚釘孔擴(kuò)大，進(jìn)一步加大沖擊，形成惡性循環(huán)[9]。

圖6 金相試樣的背散射圖像Fig.6 BSED results of the metallographic specimen

顯微硬度測(cè)試結(jié)果表明，鋼夾材料硬度為HRC 23～25，明顯低于設(shè)計(jì)要求，這會(huì)導(dǎo)致材料承載能力和抗疲勞性能不足[10-11]。材料硬度偏低可能與兩方面原因有關(guān)：一方面是鋼夾熱處理工藝不當(dāng)，導(dǎo)致鋼夾本身材料硬度不足；另一方面是鋼夾在使用過(guò)程中受到高溫環(huán)境作用，導(dǎo)致鋼夾材料硬度下降。上述兩個(gè)原因究竟哪一種起主要作用，目前尚不能得到最終確認(rèn)，如果能夠?qū)︿搳A經(jīng)歷的具體溫度環(huán)境進(jìn)行模擬，就有望進(jìn)一步肯定的結(jié)果。此外，鋼夾不同部位顯微硬度的差異表明，鋼夾在剎車過(guò)程中不同部位經(jīng)歷的溫度環(huán)境存在差異，上述情況對(duì)材料的高溫性能提出了較高要求。

能譜分析結(jié)果表明鋼夾主合金元素及含量與2Cr13合金牌號(hào)成分相符，金相分析結(jié)果表明基體組織為回火索氏體組織，組織當(dāng)中可見較多條狀氧化物夾雜(大于3級(jí))。夾雜物在鋼中雖然含量極少，但對(duì)鋼的性能具有不可忽視的影響，它會(huì)破壞基體的連續(xù)性，降低鋼的塑性、韌性和疲勞壽命。雖然本例中疲勞源區(qū)未見明顯的材料缺陷，但材料中大量條狀氧化物夾雜的存在仍然會(huì)影響材料強(qiáng)度，促進(jìn)疲勞裂紋擴(kuò)展[12]。

綜合上述分析，建議嚴(yán)格控制鋼夾材料熱處理工藝、原材料缺陷以及裝配公差，保證材料強(qiáng)度滿足要求，從而減緩剎車盤損傷，延長(zhǎng)其使用壽命，保證飛機(jī)的飛行安全。

3 結(jié)論與建議

1)鋼夾的斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂。

2)斷裂原因與鋼夾材料硬度明顯低于設(shè)計(jì)要求，顯微組織中存在大量條狀氧化物夾雜(大于3級(jí))，導(dǎo)致材料強(qiáng)度降低、承載能力不足有關(guān)。

3)嚴(yán)格控制鋼夾熱處理工藝、原材料缺陷以及零件裝配公差。

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Failure Analysis of Brake Plate Clamps of Plane

YUAN Jian-yu，PANG Jin-cheng，HAN Lu

(AerospaceResearchInstituteofMaterials&ProcessingTechnology,Beijing100076,China)

The carbon/carbon brake plate clamp of a plane fractured during service. Fracture morphology, microstructure, micro-area composition and micro-hardness were analyzed by means of stereo microscopy, metallographic microscopy, scanning electron microscopy and energy dispersive spectroscopy. The analysis results indicate that the failure mode is fatigue fracture, which is related to the insufficient bearing capacity, resulting from the significantly lower material hardness and lots of band-like oxide inclusions in the microstructure. It is recommended that the material heat treatment process, raw material defects and part assembling tolerance should be strictly controlled.

carbon/carbon brake plate clamp; fatigue fracture; hardness; oxide inclusion; assembling tolerance

2017年1月5日

2017年3月28日

袁建宇(1988年-)，男，博士，工程師，主要從事機(jī)械產(chǎn)品失效分析等方面的研究。

V227.5

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2017.02.009

1673-6214(2017)02-0116-05