飛機起落架剎車盤緊固螺栓斷裂原因

田 浩, 陳 榮, 傅國如, 李 權(quán)

(北京航空工程技術(shù)研究中心， 北京 100076)

氫脆是指由于氫滲入金屬內(nèi)部，從而使金屬零件或構(gòu)件在低于材料屈服極限的靜應(yīng)力持續(xù)作用下發(fā)生失效的過程，其屬于低應(yīng)力延遲脆性斷裂，具有突發(fā)性，故氫脆具有極大的破壞性[1]。因此，在航空裝備的生產(chǎn)、使用和維修過程中，任何可能誘發(fā)氫脆的環(huán)節(jié)，均應(yīng)引起人們的高度重視[2-6]。

某型號飛機在起飛前的機務(wù)檢查過程中，發(fā)現(xiàn)左起落架左后外剎車盤的1根緊固螺栓已斷裂。隨后，對同型所有飛機的起落架剎車盤緊固螺栓進(jìn)行普查，未見異常。斷裂的緊固螺栓為M16螺栓，俄制件，其材料對應(yīng)國內(nèi)牌號為30CrMnSiNi2A超高強度鋼，飛機表面為磷化處理。飛機經(jīng)第3次修理后，該螺栓又使用了2 966 h,1 577個起落，總飛行17 295 h，9 650個起落。

為查明該螺栓的斷裂原因，筆者對其進(jìn)行了一系列檢驗和分析，以防止類似事故的再次發(fā)生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀分析

斷裂螺栓在飛機上的位置如圖1所示，飛機起落架剎車盤通過5根螺栓固定在輪軸架安裝座上，螺栓套上墊片后由外套螺帽擰緊。斷裂螺栓為面對剎車盤方向順時針第1根。螺栓斷裂位置與其外套螺帽基本平齊(圖1可見螺栓斷裂處高于安裝座，高度正好為外套螺帽與安裝座之間墊片的厚度)，外套螺帽、墊片及螺栓斷裂部分未找到。

圖1 斷裂螺栓在起落架剎車盤上的位置示意圖Fig.1 Location map of the fractured bolt onthe undercarriage brake disc

斷裂螺栓的宏觀形貌如圖2所示，可見螺栓從螺紋段第1扣和第2扣的螺紋底部發(fā)生斷裂，螺紋光桿段部位、退刀槽及螺紋底部局部可見腐蝕痕跡。螺栓斷口整體較為潔凈，局部可見黃褐色腐蝕痕跡，斷口整體較為平直，基本垂直于軸線方向。斷口斷面形貌大致分為兩個區(qū)域：Ⅰ區(qū)較為粗糙，有顆粒狀特征；Ⅱ區(qū)較為細(xì)膩平滑，斷裂棱線特征明顯。根據(jù)斷裂棱線收斂的方向判斷，斷裂起始于Ⅰ區(qū)，向Ⅱ區(qū)擴展，Ⅱ區(qū)外緣有剪切唇特征，為最終斷裂區(qū)，如圖3所示。觀察螺栓斷口Ⅰ區(qū)對應(yīng)側(cè)表面螺紋底部宏觀形貌，局部可見腐蝕特征，如圖4所示。

圖2 斷裂螺栓的宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of the fractured bolt

圖3 斷裂螺栓的斷口宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of fracture of the fractured bolt

圖4 螺栓斷口Ⅰ區(qū)對應(yīng)側(cè)表面宏觀形貌Fig.4 Macro morphology of the corresponding sidesurface of the bolt fracture zone I

1.2 微觀分析

采用掃描電鏡對螺栓斷口進(jìn)行微觀觀察。螺栓斷口Ⅰ區(qū)微觀形貌以沿晶特征為主，局部可見韌窩花樣，晶粒輪廓鮮明，晶界面上伴有雞爪紋特征，如圖5所示。斷口Ⅱ區(qū)微觀形貌以韌窩花樣為主，局部可見沿晶特征，如圖6所示。剪切唇部位微觀形貌為典型的韌窩特征，如圖7所示。

圖5 螺栓斷口Ⅰ區(qū)微觀形貌Fig.5 Micro morphology of the bolt fracture zone I:a) intergranular morphology; b) stria appearance

圖6 螺栓斷口Ⅱ區(qū)微觀形貌Fig.6 Micro morphology of the bolt fracture zone Ⅱ

圖7 螺栓斷口剪切唇部位微觀形貌Fig.7 Micro morphology of shear lip of the bolt fracture

觀察斷口Ⅰ區(qū)對應(yīng)側(cè)表面螺紋底部微觀形貌，可見螺紋底部存在局部磷化層剝落及明顯腐蝕特征，如圖8所示。對斷口Ⅰ區(qū)側(cè)表面螺紋底部腐蝕部位和完整磷化層表面進(jìn)行能譜(EDS)分析，結(jié)果表明，螺紋底部腐蝕部位的腐蝕元素主要為硫元素和氧元素，分析結(jié)果見表1。

1.3 其他檢驗

對斷裂螺栓進(jìn)行硬度測試和金相檢驗，實測螺栓的硬度為49.6 HRC，換算成抗拉強度為1 700 MPa，說明螺栓材料的強度級別高，屬于超高強度鋼。斷裂螺栓的顯微組織為正常的回火馬氏體，未發(fā)現(xiàn)明顯組織缺陷，如圖9所示。從螺栓光桿段取樣進(jìn)行氫含量測定，實測氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為2×10-6%，滿足氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過5×10-6%的技術(shù)要求。

圖8 螺栓斷口Ⅰ區(qū)側(cè)表面微觀形貌Fig.8 Micro morphology of side surface of the bolt fracture zone I:a) peeling off of phosphating layer; b) corrosion characteristics

表1 螺栓斷口Ⅰ區(qū)不同部位的EDS分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 EDS analysis results of different parts of the bolt fracture zone I (mass fraction) %

圖9 斷裂螺栓的顯微組織形貌Fig.9 Microstructure morphology of the fractured bolt

2 分析與討論

螺栓斷口無宏觀塑性變形，斷口平齊，斷面可見明顯放射狀斷裂棱線，微觀可見其主要為沿晶與韌窩混合特征，沿晶面較為潔凈，且有典型的雞爪痕，最后斷裂區(qū)為韌窩形貌，說明螺栓的斷口具有氫脆斷裂特征，其斷裂性質(zhì)為氫脆斷裂。

螺栓發(fā)生氫脆斷裂，其內(nèi)部必須含有一定量的氫，鋼中的氫主要有3種來源：在冶煉、焊接及熱處理過程中進(jìn)入的氫；在電鍍、酸洗等工藝過程中進(jìn)入的氫；使用過程中，吸收腐蝕環(huán)境中產(chǎn)生的氫及高溫氫氣氛中吸氫[7-11]。前兩種途徑進(jìn)入的氫，一般在螺栓使用前或使用后較短時間內(nèi)就會導(dǎo)致螺栓出現(xiàn)裂紋或斷裂；而在使用過程中因為腐蝕而進(jìn)入的氫(陰極析氫反應(yīng))，則跟腐蝕發(fā)生的時機及腐蝕程度有關(guān)，通常需要較長的時間才會開裂。飛機經(jīng)歷了3次大修，大修時均會對螺栓進(jìn)行探傷，探傷檢查均未發(fā)現(xiàn)有裂紋，螺栓的總使用時間為17 295 h，第3次大修后的使用時間接近3 000 h，故可以排除前兩種途徑進(jìn)入的氫。同時，飛機使用過程中起落架部位也不存在高溫氫氣氛，因此，導(dǎo)致螺栓發(fā)生氫脆斷裂的氫來源于腐蝕過程中產(chǎn)生的氫。

斷裂螺栓的理化檢驗表明，螺栓斷裂部位與其外套螺帽基本平齊，斷裂起源于螺栓的螺紋底部，外面有外套螺母包圍，處于一個相對比較封閉的空間，很容易形成閉塞電池。由于閉塞電池下的水解作用，表面損傷部位在潮濕空氣或水溶液中會產(chǎn)生尖部酸化，從而在腐蝕過程中產(chǎn)生陰極析氫反應(yīng)[12-13]。從工廠大修工藝來看，工廠大修時對螺栓的檢查只有磁粉探傷，而沒有針對微區(qū)損傷的檢查，螺栓斷口對應(yīng)側(cè)表面螺紋底部可見明顯腐蝕特征，腐蝕區(qū)腐蝕元素主要為硫元素和氧元素，具備從腐蝕環(huán)境中吸取腐蝕產(chǎn)生的氫而導(dǎo)致氫脆斷裂的條件。螺栓的材料對應(yīng)國內(nèi)牌號為30CrMnSiNi2A超高強鋼，該材料具有高的氫脆敏感性[14-15]。螺栓受到的工作應(yīng)力主要是靜拉應(yīng)力，斷裂部位位于螺紋底部，正好為應(yīng)力集中部位。綜上分析，導(dǎo)致該螺栓氫脆斷裂的氫來源于表面局部腐蝕中產(chǎn)生的氫，螺栓發(fā)生氫脆斷裂是由于吸收了表面局部腐蝕產(chǎn)生的氫所致。

鑒于飛機在使用過程中，約1 500個起落就需要更換剎車盤，建議可利用該時機對剎車盤的緊固螺栓進(jìn)行微區(qū)損傷檢查，以盡早發(fā)現(xiàn)裂紋故障。

3 結(jié)論及建議

該飛機起落架剎車盤緊固螺栓的斷裂性質(zhì)為氫脆斷裂。螺栓在使用中局部發(fā)生了環(huán)境腐蝕，腐蝕產(chǎn)生的氫被螺栓吸收導(dǎo)致該螺栓發(fā)生了氫脆斷裂。

建議利用更換剎車盤(1 500個起落)的時機對緊固螺栓進(jìn)行微區(qū)損傷檢查，以盡早發(fā)現(xiàn)裂紋故障。