30CrMnSiA 支臂零件裂紋產(chǎn)生原因分析

周武風(fēng) ，董 娜 ，戴木海 ，徐周玨 ，李 勇 ，蔣 敏 ，李想軍 ，呂 晨

（1.航空工業(yè)江西洪都航空工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，南昌 330000；2.南昌航空大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，南昌 330063）

0 引言

30CrMnSiA 作為一種中碳調(diào)質(zhì)類高強(qiáng)度鋼在航空零件中被廣泛使用，主要應(yīng)用于彈體、飛機(jī)起落架、發(fā)動機(jī)殼體等結(jié)構(gòu)件中，常在淬火后不同溫度回火狀態(tài)下使用[1-4]。吳子凱等[5]研究了淬火+回火后30CrMnSiA 鋼的顯微組織以及力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)隨著回火溫度的升高，30CrMnSiA 鋼組織中的回火索氏體占比不斷提高，合金強(qiáng)度下降，伸長率增加，說明不同回火溫度會改變材料的組織和性能，且30CrMnSiA 鋼在530～550 ℃會產(chǎn)生回火脆性[6]。

在航空航天中，由于結(jié)構(gòu)件組織不合格且在疲勞加載情況下，容易產(chǎn)生裂紋，從而埋下嚴(yán)重的安全隱患。裂紋分為工藝裂紋和使用裂紋，通常起源于零件的應(yīng)力集中處（刀痕、刮傷、圓角等）或材料缺陷處（折疊、拉痕、組織偏析等），裂紋的擴(kuò)展及瞬斷會產(chǎn)生嚴(yán)重后果[7-9]。李玲等[10]為明確30CrMnSiA 提拉桿斷裂失效原因，對其金相組織、非金屬夾雜、硬度和沖擊韌性進(jìn)行檢測和分析，結(jié)果表明，其回火后硬度高于設(shè)計要求，金相組織異常及原材料硫化夾雜物過多等原因?qū)е缕錄_擊韌性下降進(jìn)而發(fā)生斷裂。文獻(xiàn)[11]中也發(fā)現(xiàn)類似問題，30CrMnSiA 鋼鍛件性能不合格的原因主要是P、Sn、As 等雜質(zhì)元素的偏聚導(dǎo)致晶界脆化，進(jìn)而引發(fā)脆性斷裂。顧曉春等[12]對某30CrMnSiA 鋼螺栓裝配過程中的斷裂原因進(jìn)行分析，結(jié)果表明，螺栓斷裂方式為韌性斷裂，其使用原材料質(zhì)量合格，螺栓斷裂是由裝配過程中施加的扭轉(zhuǎn)載荷過大導(dǎo)致螺栓過載而引發(fā)的。因此，為避免因裝配應(yīng)力過大導(dǎo)致螺栓扭轉(zhuǎn)斷裂，需制定合適的裝配工藝，并控制好裝配扭力。

支臂作為飛機(jī)起落架的重要承力部件，在機(jī)加工和熱處理后經(jīng)磁粉探傷檢測發(fā)現(xiàn)有裂紋產(chǎn)生。本研究通過外觀觀察、金相組織分析、斷口微觀觀察、力學(xué)拉伸試驗、硬度檢測和化學(xué)成分分析，對其支臂零件裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行綜合分析，提出改進(jìn)措施，為預(yù)防類似零件裂紋產(chǎn)生提供技術(shù)依據(jù)。

1 故障背景與試驗概述

支臂材料為30CrMnSiA 鋼，在機(jī)加和熱處理（淬火+高溫回火）后，經(jīng)無損檢驗發(fā)現(xiàn)大部分零件（由厚度為65 mm 板材數(shù)控加工而成）上半段存在裂紋，且裂紋均沿著軸線方向分布。選取3 個典型位置的裂紋故障件（分別命名為1#、2#、3#）進(jìn)行分析，并取與零件材料同爐批號的原材料進(jìn)行對比試驗分析。

觀察故障件的宏觀形貌，切取縱向金相試樣分析材料金相組織，腐蝕液為3%（體積分?jǐn)?shù)）硝酸溶液；沿裂紋擴(kuò)展方向打開故障件，對斷口形貌進(jìn)行微觀觀察，并對原始斷口表面做能譜分析；對故障件與原材料退火和調(diào)質(zhì)狀態(tài)下的試樣進(jìn)行拉伸試驗，測試其力學(xué)性能。對故障件的金相試樣進(jìn)行硬度檢測；檢測原材料化學(xué)成分。通過以上分析，明確支臂零件產(chǎn)生裂紋的原因，并提出相應(yīng)改進(jìn)措施。

2 試驗過程與結(jié)果

2.1 宏觀觀察

故障件宏觀形貌相似，無損檢測出的裂紋位置見圖1a、圖1b，故障件多處可見沿零件軸線分布的裂紋。零件縱向通過機(jī)加形成一條筋條（圖1c紅色箭頭處），筋條R 角處的背面對應(yīng)著裂紋所在位置。

圖1 故障件外觀形貌Fig.1 Appearance of faulty parts

2.2 金相分析

垂直其中一條裂紋切開1#故障件，制取金相試樣，在顯微鏡下觀察裂紋形貌。裂紋與零件表面約呈90°，形態(tài)細(xì)長，裂紋中可見灰色氧化物（圖2a、圖2b）；試樣表面金相組織分布不均勻，顏色有明顯差異，白亮色的組織呈帶狀分布（圖2c）。

圖2 1#故障件微觀形貌Fig.2 Micromorphology of 1# faulty parts

分別在2#、3#故障件上取縱向試樣，先進(jìn)行退火熱處理，再進(jìn)行金相制備與組織觀察，結(jié)果如圖3 所示。金相組織均為鐵素體+珠光體，呈帶狀分布，根據(jù)GB/T 13299—1991 進(jìn)行評定，分別為2.5級、3.0 級帶狀組織。

圖3 故障件帶狀組織Fig.3 Banded structure of faulty parts

在與零件材料同爐批號的原材料上切取金相試樣，其金相組織如圖4 所示。原材料金相組織分布不均勻，為鐵素體+珠光體組織，呈帶狀分布，根據(jù)GB/T 13299—1991 進(jìn)行評定，帶狀組織級別為2.5 級。

圖4 原材料金相組織Fig.4 Metallographic structure of raw material

2.3 微觀觀察和能譜分析

沿裂紋擴(kuò)展方向打開1#故障件，在掃描電鏡下觀察斷口形貌?？梢娫紨嗫趨^(qū)較平坦，人為打開斷口區(qū)則凹凸不平（圖5a）；原始斷口被氧化物覆蓋（圖5b）；斷口呈沿晶+韌窩特征（圖5c）。對原始斷口表面進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見表1，顯示O 元素含量較高。這是因為回火過程中，由于淬火裂紋的存在，導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展面上組織發(fā)生氧化，氧化物分布在鋼中會破壞基體成分和組織連續(xù)性，使內(nèi)部組織產(chǎn)生應(yīng)力集中，進(jìn)而加速其裂紋擴(kuò)展。

表1 斷口能譜分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）Table 1 Energy spectrum analysis results of fracture (mass fraction/%)

圖5 斷口形貌Fig.5 SEM imges of fracture

2.4 力學(xué)性能檢測

分別在故障件與原材料上截取拉伸試樣測試件，在退火和調(diào)質(zhì)兩種狀態(tài)下進(jìn)行拉伸性能檢測，結(jié)果如表2 所示。由表2 可知，故障件與原材料退火狀態(tài)和調(diào)質(zhì)狀態(tài)的力學(xué)性能均符合GJB 2150A—2018 要求。

表2 力學(xué)性能檢測結(jié)果Table 2 Test results of mechanical properties

2.5 硬度測試

對2#故障件金相試樣上不同顏色的區(qū)域進(jìn)行硬度檢測（圖6），并根據(jù)GB/T 1172—1999 進(jìn)行抗拉強(qiáng)度換算，結(jié)果見表3。由表3 可知，金相白亮處的硬度值高于灰暗處，白亮處的硬度值高于GB/T 1172—1999 要求，灰暗處硬度值符合標(biāo)準(zhǔn)要求，說明不同位置處的硬度值、抗拉強(qiáng)度值差異較大，這是材料組織不均勻?qū)е碌?。故障件和原材料金相組織均呈白亮與灰暗交替分布的相同形貌，說明兩者的組織都不均勻。

圖6 硬度檢測位置Fig.6 Hardness test location

表3 硬度檢測結(jié)果Table 3 Results of hardness test

3 分析與討論

從金相組織的檢測結(jié)果可知金相組織呈現(xiàn)不均勻特征，顯微硬度測試結(jié)果也表明不同部位的硬度值差異較大。故障件金相組織為沿同一方向分布的帶狀組織，且裂紋擴(kuò)展方向與帶狀組織分布方向一致。該零件材料經(jīng)退火后，金相組織呈帶狀分布，帶狀評級存在差別，為2.5、3.0 級，原材料金相組織也呈帶狀分布，說明該零件材料的組織不均勻。

在零件截面厚度變化處，因筋條的存在而導(dǎo)致淬火冷速不一致，使得此處存在較大熱應(yīng)力，進(jìn)而導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。工件受力方式為拉應(yīng)力垂直作用于裂紋面，裂紋沿作用力方向張開，沿裂紋面擴(kuò)展，說明其裂紋擴(kuò)展方式為張開型（Ⅰ型）裂紋擴(kuò)展，此裂紋擴(kuò)展方式最容易引起脆性斷裂，危害性極大；通過觀察工件斷口二次電子形貌發(fā)現(xiàn)裂紋面主要呈沿晶特征，說明其斷裂方式為沿晶斷裂，而沿晶斷裂多數(shù)為脆性斷裂，也驗證了其裂紋擴(kuò)展方式為Ⅰ型。

綜上所述，該零件原材料的靜態(tài)力學(xué)性能及化學(xué)成分合格。但從金相、斷口、硬度等分析可推斷該零件材料的組織不均勻，易產(chǎn)生較大組織應(yīng)力。尤其是在零件形狀截面厚度變化較大處，由于淬火冷卻速率不一致以及組織不均勻性導(dǎo)致淬火后產(chǎn)生裂紋，致使零件失效。

在支臂零件的設(shè)計生產(chǎn)中，采用以下兩種方式可有效避免淬火裂紋的產(chǎn)生：對原材料30CrMnSiA 鋼進(jìn)行嚴(yán)格把控，可采取相關(guān)力學(xué)性能測試和微觀組織分析確定其組織均勻合格后方可進(jìn)行支臂零件的加工；優(yōu)化零件的尺寸設(shè)計，降低其截面厚向應(yīng)變不均性可有效降低淬火熱應(yīng)力，進(jìn)而得到性能優(yōu)良的支臂零件。

4 結(jié)論

1）故障支臂零件在不同位置出現(xiàn)的裂紋，其形式和性質(zhì)一致，均為淬火裂紋。

2）零件原材料帶狀組織分布不均勻，以及零件形狀（厚度變化較大）等綜合因素導(dǎo)致該零件淬火時容易產(chǎn)生淬火裂紋。