轉(zhuǎn)彎卡箍裂紋失效分析及加工優(yōu)化

曹翌軍，肖 文，李 博

(1.海裝駐漢中地區(qū)軍事代表室，陜西 漢中 723000；2.中航飛機(jī)起落架有限責(zé)任公司，陜西 城固 723200)

隨著航空工業(yè)發(fā)展，高機(jī)動性、大載量型飛機(jī)研發(fā)制造，高強(qiáng)度鋼、超高強(qiáng)度鋼在航空制造業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，飛機(jī)起落架的關(guān)鍵、重要受力構(gòu)件大多選用超高強(qiáng)度鋼，但超高強(qiáng)度鋼強(qiáng)度增大使得材料韌性降低，隨之而來的是對缺口、氫脆及應(yīng)力腐蝕問題更加敏感。同時，為了做到起落架與機(jī)體同壽命，一般均需要對起落架零件進(jìn)行表面防護(hù)以增強(qiáng)其耐蝕性，在表面處理過程中，鋼制零件會吸收氫原子，可能會造成氫脆[1-2]。某型飛機(jī)前起落架轉(zhuǎn)彎卡箍在鍍鎘-鈦后磁粉檢查時發(fā)現(xiàn)有裂紋存在。轉(zhuǎn)彎卡箍材料為40CrNi2Si2MoVA(300M)鋼，主要制造工藝流程：數(shù)控銑(粗加工零件外形)→數(shù)控鏜→鉗工(拋光)→總檢→熱處理(870 ℃，油淬+300 ℃，空冷，回火2次)→數(shù)控銑→磨工→低溫回火→數(shù)控銑→磨工→低溫回火→數(shù)控銑→磨工→低溫回火→數(shù)控銑(關(guān)鍵工序)→低溫回火→鉗工→總檢→酸蝕檢查→磁粉探傷→噴丸→鍍鉻→總檢→鍍鎘-鈦→磁粉探傷(發(fā)現(xiàn)裂紋)。轉(zhuǎn)彎卡箍經(jīng)過熱處理后抗拉強(qiáng)度值達(dá)到了設(shè)計要求，且在經(jīng)過鍍鉻、鍍鎘-鈦后發(fā)現(xiàn)表面存在裂紋。本文對卡箍表面裂紋缺陷區(qū)進(jìn)行了表面觀察，對裂紋斷面進(jìn)行了宏微觀觀測，檢查了卡箍的組織、硬度，測試了氫含量和表面殘余應(yīng)力，判斷了裂紋性質(zhì)并對其開裂原因進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上確定了轉(zhuǎn)彎卡箍開裂的性質(zhì)和原因。

1 試驗過程與結(jié)果

1.1 宏觀觀察

失效轉(zhuǎn)彎卡箍外觀如圖1所示，轉(zhuǎn)彎卡箍裂紋中段平直，平行軸向分布，兩端可見明顯分叉；裂紋中段縫隙大，兩端小。

1.2 微觀觀察及能譜分析

將裂紋打開進(jìn)行斷口宏觀觀察，裂紋斷口整體平坦，呈灰黃色、藍(lán)金色斑駁特征，靠近外壁的斷口邊緣呈灰黃色，顏色較均勻，靠近內(nèi)壁邊緣斷口為亮銀色。裂紋軸向部分深度較均勻，基本穿透壁厚，末端分叉部分裂紋斷口呈扇形，可見由外向內(nèi)的放射棱線，斷面大部分區(qū)域顏色與軸向斷面相同，呈斑駁狀；人為打斷區(qū)為亮銀色，裂紋斷面邊緣靠近人為打斷斷面的區(qū)域為暗灰色，無明顯污染(見圖2)。

a) 裂紋

b) 宏觀形貌

圖2 斷口整體形貌

在掃描電鏡下觀察裂紋斷口形貌?？拷獗诘臄嗝娉蕧u狀凸起，微觀為電鍍膜層特征；退除鍍層后該處斷面為沿晶、解理混合特征，斷口中、下部斷面均為沿晶、解理混合特征，局部可見少量韌窩，無明顯氧化、污染(見圖3)；靠近內(nèi)壁的斷口銀白色區(qū)為細(xì)小剪切韌窩特征(見圖4)。

圖3 斷口中、下部形貌

圖4 內(nèi)壁邊緣斷口剪切韌窩

能譜結(jié)果顯示，斷口靠外側(cè)的島狀表面被鎘-鈦鍍層覆蓋，向內(nèi)部斷面Cd元素基本消失，O元素含量較高；斷口中部僅可見少量O元素，其余均為基體元素；內(nèi)側(cè)韌窩區(qū)均為基體元素。

裂紋末端分叉部位斷面僅外側(cè)邊緣很小區(qū)域可見鍍層污染，宏觀斑駁區(qū)的斷面表面干凈，無明顯氧化污染特征，為穿晶解理、沿晶混合特征；裂紋斷面末端的暗灰色區(qū)表面以穿晶解理斷裂為主，可見少量沿晶斷面，表面可見雞爪痕(見圖5)；人為打斷區(qū)為韌窩特征(見圖6)。

圖5 裂紋斷口末端沿晶及雞爪痕

圖6 人為打斷區(qū)韌窩

能譜結(jié)果顯示，靠近外壁斷面Cr含量高于基體，斷口中部氧化輕微，無明顯污染物，暗灰色區(qū)與基體成分一致。

1.3 組織檢查

垂直裂紋末端磨制金相試樣，拋光狀態(tài)進(jìn)行觀察，可見裂紋徑向擴(kuò)展，末端呈人字形分叉，在距離主裂紋8 mm左右的位置還可見一條徑向裂紋，裂紋擴(kuò)展1/3壁厚。浸蝕后進(jìn)行低倍組織觀察，2條裂紋附近組織與其他區(qū)域一致，主裂紋沿著變形流線方向擴(kuò)展。拋光狀態(tài)高倍觀察，主裂紋開口較大，兩側(cè)可見細(xì)小分叉，分叉裂紋曲折、斷續(xù)；主裂紋附近小裂紋宏觀平直，微觀可見細(xì)小曲折，裂紋末端也可見斷續(xù)裂紋。

能譜結(jié)果顯示，靠近外壁裂紋內(nèi)可見Cd、Ti鍍層元素；小裂紋靠近外側(cè)可見很高O、Cr元素。浸蝕后觀察，曲折裂紋為沿晶、穿晶混合擴(kuò)展；裂紋邊緣無脫碳組織，組織整體均勻(見圖7)。

圖7 裂紋附近金相組織

1.4 硬度測試

在卡箍裂紋10 mm范圍內(nèi)選取任意3點用200HRS-150數(shù)顯洛氏硬度計測試硬度，結(jié)果見表1，卡箍硬度均勻，符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 卡箍洛氏硬度測試結(jié)果

1.5 氫含量測試

在距卡箍裂紋10 mm范圍內(nèi)切取試樣，采用RH-404型定氫儀測定氫含量，結(jié)果均為1 ppm。

2 分析與討論

由上述試驗可知，卡箍裂紋宏觀呈脆性斷裂，裂紋從外側(cè)起始向內(nèi)擴(kuò)展，斷面均以沿晶、解理混合特征為主，在裂紋末端斷面晶粒表面可見雞爪痕，未見其他缺陷，組織、硬度檢查未見異常。

卡箍裂紋為脆性裂紋，斷面呈現(xiàn)沿晶、解理混合特征，裂紋末端暗灰色無污染區(qū)晶粒表面還可見雞爪紋等氫致裂紋的典型特征；同時，斷面大部分無污染、無氧化，裂紋兩側(cè)無脫碳，與熱處理裂紋狀態(tài)不符，由此判斷轉(zhuǎn)彎卡箍裂紋為氫致脆性開裂。斷面靠近表面區(qū)域可見大量鍍層物質(zhì)，裂紋在鍍鎘-鈦過程中或者之前就已產(chǎn)生。

研究表明，高強(qiáng)度鋼發(fā)生氫脆斷裂需同時滿足3個條件：1)具有相當(dāng)高的強(qiáng)度水平；2)含氫超過某一最低值，且氫能通過鋼自由擴(kuò)散；3)承受超過某一最低值的靜載荷應(yīng)力[3-6]?？ü坑捕取?qiáng)度符合技術(shù)要求，說明卡箍的熱處理質(zhì)量符合要求，表面壓應(yīng)力狀態(tài)也反映了正常的噴丸效果。通常強(qiáng)度級別高的材料比強(qiáng)度級別低的材料氫脆敏感性大，裂紋擴(kuò)展速度也大[7]?？ü坎牧蠟閺?qiáng)度接近2 000 MPa的300M鋼，在特定的應(yīng)力、環(huán)境狀態(tài)下，少量的氫也可能引發(fā)氫致?lián)p傷。零件最終氫含量僅1 ppm，其氫致開裂很可能是在動態(tài)析氫過程中發(fā)生的，即卡箍自身存在較大的內(nèi)部殘余應(yīng)力，在酸洗、電鍍等工序中反復(fù)析氫，氫致?lián)p傷逐漸積累最終產(chǎn)生氫致開裂。

轉(zhuǎn)彎卡箍為鍛件機(jī)械加工成型后熱處理，內(nèi)應(yīng)力受鍛件狀態(tài)、加工形態(tài)和熱處理過程的影響較為復(fù)雜。在開裂卡箍裂紋處可見集中的變形流線，裂紋初期沿流線擴(kuò)展，這種復(fù)雜流線也可能對鍛件的內(nèi)應(yīng)力分布產(chǎn)生影響。從卡箍的制造工藝路線看，其經(jīng)過了酸蝕檢查、鍍鉻及鍍鎘-鈦等多項表面處理，工序內(nèi)的除氫、除氫間隔控制對氫致開裂影響較大。

建議在滿足使用條件的情況下，優(yōu)化熱處理工藝以降低轉(zhuǎn)彎卡箍的抗拉強(qiáng)度，如確有必要可選用合適的材料替換40CrNi2Si2MoVA鋼[8]；嚴(yán)格執(zhí)行鋼件鍍覆后除氫要求，同時可適當(dāng)延長除氫時間，并控制除氫間隔越短越好。

3 結(jié)語

通過上述研究可以得出如下結(jié)論。

1)轉(zhuǎn)彎卡箍裂紋為氫致脆性開裂，裂紋在鍍鎘-鈦過程中或者之前就已經(jīng)產(chǎn)生。

2)卡箍開裂可能與內(nèi)應(yīng)力過大、表面處理過程控制有關(guān)，卡箍開裂部位變形流線集中、露頭，對開裂也有促進(jìn)作用。