程宗輝，張世東，黃　超，曹　強(qiáng)

（國營蕪湖機(jī)械廠，安徽蕪湖241007）

飛機(jī)起落架固定螺栓氫脆斷裂研究

程宗輝，張世東，黃超，曹強(qiáng)

（國營蕪湖機(jī)械廠，安徽蕪湖241007）

飛機(jī)起落架一固定螺栓發(fā)現(xiàn)裂紋，經(jīng)斷口宏觀觀察、微觀觀察、金相檢查、硬度檢測(cè)及H含量測(cè)定，綜合分析確定該型螺栓的斷裂性質(zhì)，并分析斷裂失效的原因。研究結(jié)果表明，螺栓的斷裂性質(zhì)為氫脆斷裂，其修理過程中發(fā)生塑性變形產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，電鍍前未除應(yīng)力是氫脆斷裂誘因，并導(dǎo)致最終斷裂。建議該型螺栓修理時(shí)應(yīng)嚴(yán)控表面處理過程，嚴(yán)格執(zhí)行除應(yīng)力措施，從而降低該型螺栓發(fā)生氫脆斷裂的可能性。

固定螺栓；應(yīng)力集中；氫脆

0　引言

氫脆的研究從上世紀(jì)開始成為眾多學(xué)者的重點(diǎn)研究領(lǐng)域［1-2］。而在航空修理作業(yè)中，氫脆的影響貫穿整個(gè)特種工藝修理過程。修理的工藝流程一般可為分解、故檢、修理、裝配等環(huán)節(jié)，如果在修理過程中發(fā)生野蠻分解，帶應(yīng)力裝配，會(huì)使零件產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，而特種工藝修理環(huán)節(jié)可能產(chǎn)生的吸氫，將進(jìn)一步誘發(fā)氫脆的產(chǎn)生。在近期修理中發(fā)現(xiàn)固定螺栓在表面處理后，表面存在裂紋且鍍層完好無損傷。螺栓材料為30CrMnSiNi2A，該材料是一種廣泛應(yīng)用的低合金高強(qiáng)度鋼，通過增加1.40%～1.80%Ni，其淬透性得到明顯提高，并改善了其韌性與回火穩(wěn)定性。由于力學(xué)性能優(yōu)異，被廣泛應(yīng)用于制造高強(qiáng)度連接件、緊固件，以及起落架等重要受力結(jié)構(gòu)件等［3-5］。飛機(jī)起落架固定螺栓材料的技術(shù)要求為σb=（1670±98）MPa，NH4Cl鍍鎘厚度為3～6 μm，該型螺栓修理工藝為分解、探傷、修理、表面處理、無損檢測(cè)和安裝。

本研究通過對(duì)修理過程中斷裂的螺栓進(jìn)行宏微觀觀察、金相檢查、化學(xué)成分分析、硬度檢測(cè)和工藝性能分析，分析判斷航空修理過程可能導(dǎo)致氫脆產(chǎn)生的環(huán)節(jié)，為后續(xù)高強(qiáng)度螺栓修理過程的改進(jìn)提供有效的支持。

1　試驗(yàn)方法

采用I551-CHA掃描電鏡和SZX12體式顯微鏡對(duì)螺栓斷口進(jìn)行宏微觀觀察，在硬度試驗(yàn)機(jī)上對(duì)螺桿的硬度進(jìn)行測(cè)試，使用O、N、H分析儀進(jìn)行化學(xué)成分分析。在試驗(yàn)基礎(chǔ)上確定螺栓的斷裂性質(zhì)，并分析斷裂原因。

2　試驗(yàn)過程與結(jié)果

2.1宏觀檢查

檢查斷裂螺栓的外觀，發(fā)現(xiàn)斷裂位于螺栓的螺紋根部退刀槽處，宏觀斷口的形貌見圖1和圖2。在放大鏡下對(duì)整個(gè)斷口進(jìn)行觀察分析:斷口較平齊，無明顯宏觀塑性變形，中心部位有起伏，側(cè)面觀察局部有二次裂紋現(xiàn)象；斷面上可以觀察到反光小刻面，結(jié)構(gòu)呈結(jié)晶顆粒狀，色澤為亮灰色，外圓周邊無明顯鍍層滲透和腐蝕現(xiàn)象；斷口表面零星分布著點(diǎn)狀銹蝕，從其形貌看應(yīng)為斷后環(huán)境侵蝕所至，裂紋起始于螺栓外壁，整個(gè)斷口材質(zhì)潔凈，未發(fā)現(xiàn)明顯的冶金缺陷；同時(shí)螺栓存在明顯敲擊變形痕跡。

2.2微觀觀察

螺栓經(jīng)超聲波清洗后，在掃描電鏡下進(jìn)行斷口微觀分析，可見:斷裂從四周向中心擴(kuò)展，大部斷口表現(xiàn)為沿晶脆性斷裂且存在沿晶二次裂紋，晶粒輪廓鮮明呈冰糖塊狀，在斷口晶面上存在大量的雞爪型撕裂棱（圖3、圖4）；斷口中心起伏區(qū)域?yàn)樗矓鄥^(qū)，呈沿晶+韌窩斷口形貌（圖5）。斷口整體上呈現(xiàn)典型的氫脆斷裂形貌特征。

2.3化學(xué)成分分析

對(duì)斷裂螺栓破壞取樣后，在O、N、H分析儀上進(jìn)行H含量檢測(cè)，其值為（2.05～3.10）× 10-6；同時(shí)對(duì)斷裂螺栓材料成分進(jìn)行確認(rèn)，其主要元素檢測(cè)結(jié)果見表1，符合30CrMnSiNi2A材料標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖2　螺栓斷口低倍形貌Fig.2　Low magnification appearance of bolt fracture

圖3　沿晶冰糖塊狀形貌Fig.3　Intergranular sugar block morphology

圖4　晶面上雞爪痕形貌Fig.4　Chicken feet mark morphology of crystal face

圖5　斷口瞬斷區(qū)沿晶+韌窩形貌Fig.5　Intergranular and dimples morphology of fast fracture zone

表1　化學(xué)成分結(jié)果Table 1　Results of chemical composition analysis　%

2.4硬度測(cè)定

對(duì)斷裂螺栓進(jìn)行鍍層厚度和洛氏硬度檢測(cè)。光桿部位鍍層厚度為11～15 μm，洛氏硬度HRC 47.5～49.5，按GB/T 1172—1999標(biāo)準(zhǔn)換算可得相應(yīng)抗拉強(qiáng)度σb=（1594～1702）MPa?？梢姡儗雍穸瘸瑯?biāo)，強(qiáng)度符合技術(shù)指標(biāo)要求。

2.5斷口金相組織分析

在斷裂的螺栓上截取試樣制備成金相分析試樣，在光學(xué)顯微鏡下觀察組織基本正常，主要為回火馬氏體+下貝氏體及少量殘余奧氏體組織。

2.6斷口微區(qū)成分分析

對(duì)螺栓斷口靠近鍍鎘層進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖6所示，鍍鎘層附近主要存在Fe元素，少量的Mn、Ni、Si、Cr，未發(fā)現(xiàn)Cd元素滲入斷口，據(jù)此可以排除鎘脆現(xiàn)象。

2.7對(duì)比試驗(yàn)分析

對(duì)與斷裂的固定螺栓同批進(jìn)行鍍鎘的8件未裝機(jī)的30CrMnSiNi2A零件進(jìn)行對(duì)比分析。該8件螺栓未發(fā)現(xiàn)敲打變形痕跡，表面處理后也未發(fā)現(xiàn)開裂。檢測(cè)鍍層厚度和H含量，8件零件的鍍層厚度均在15～20 μm的范圍內(nèi)，H含量見表2。從檢測(cè)結(jié)果看，鍍層厚度基本相當(dāng)，說明該批次零件表面處理工藝控制效果較一致。8件零件除2號(hào)外，其余H含量均超過了3×10-6，但H含量分散性較大，雖經(jīng)同批表面處理過程，但仍出現(xiàn)H含量結(jié)果的差異性，H含量的測(cè)試結(jié)果影響因素較復(fù)雜。

圖6　螺栓斷口靠近鍍鎘層部位能譜分析結(jié)果Fig.6　Spectrum analysis results of bolt fracture near cadmium plating layer

表2　H含量測(cè)試結(jié)果Table 2　Results of hydrogen content test?。ā?0-6）

3　分析與討論

從斷口宏觀檢查及微區(qū)能譜分析結(jié)果看，斷口外圓周邊無明顯鍍層滲透和腐蝕現(xiàn)象，且未發(fā)現(xiàn)Cd元素滲入斷口，據(jù)此可以排除鍍前開裂、漏探及鎘脆現(xiàn)象。

從斷口分析看，裂紋沿晶擴(kuò)展及沿晶二次裂紋，晶粒輪廓鮮明呈冰糖塊狀，晶面上存在大量的雞爪型撕裂棱等均為氫致開裂的重要特征，所以失效螺栓斷裂的性質(zhì)為氫脆斷裂。同時(shí)宏觀檢查發(fā)現(xiàn)螺栓有明顯敲擊變形痕跡，但表面鍍層完好，說明是鍍前螺栓已發(fā)生敲擊變形，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。依據(jù)HB/Z 318—1998《鍍覆前消除應(yīng)力和鍍覆后除氫處理規(guī)范》規(guī)定，凡抗拉強(qiáng)度σb≥1050MPa的鋼制零件，為減少由于機(jī)械加工、磨削、冷成形、冷矯正等工序產(chǎn)生殘余應(yīng)力并防止鍍覆時(shí)開裂，鍍覆前應(yīng)進(jìn)行消除應(yīng)力處理。由于零件已由于敲擊變形產(chǎn)生塑性變形，進(jìn)一步提高材料的局部應(yīng)力集中。而查詢修理記錄發(fā)現(xiàn)該零件在鍍前未進(jìn)行消除應(yīng)力處理。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)［6-8］研究表明，零件應(yīng)力集中會(huì)對(duì)電鍍氫脆性具有一定的影響作用。

結(jié)合該螺栓外部變形形貌及斷口分析，判斷該螺栓斷裂主要是由于零件發(fā)生塑性變形后產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，未在表面處理前進(jìn)行去應(yīng)力處理，使得零件經(jīng)表面處理后氫脆性增加。

4　結(jié)論和建議

1）螺栓的斷裂性質(zhì)為氫脆斷裂，斷裂誘因?yàn)榱慵苄宰冃萎a(chǎn)生局部應(yīng)力集中，且表面處理前未進(jìn)行去應(yīng)力處理。對(duì)該批未經(jīng)鍍前去應(yīng)力的零件全部進(jìn)行報(bào)廢處理。

2）建議30CrMnSiNi2A類低合金高強(qiáng)度鋼修理件再次表面處理時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格表面處理過程，電鍍前必須進(jìn)行應(yīng)力消除，并嚴(yán)格控制除氫溫度和時(shí)間，采用“缺口拉伸試驗(yàn)法”對(duì)電鍍?nèi)芤汉湾儗託浯嘈阅苓M(jìn)行檢測(cè)，減少氫脆斷裂的產(chǎn)生。

3）加強(qiáng)修理過程監(jiān)控，為減少零件在表面處理前產(chǎn)生過大的應(yīng)力集中，應(yīng)防止修理過程中的野蠻行為使零件產(chǎn)生損傷。

［1］陳華鋒.高強(qiáng)度螺栓氫脆斷裂失效的表征研究［D］.上海:機(jī)械科學(xué)研究總院，2009:1-2.

［2］孫小炎.螺栓氫脆問題研究［J］.航天標(biāo)準(zhǔn)化，2007（2）:1-9.

［3］《工程材料實(shí)用手冊(cè)》編輯委員會(huì).工程材料實(shí)用手冊(cè) 第1卷結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼［M］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001:204-205.

［4］張先鳴.我國緊固件行業(yè)熱處理技術(shù)現(xiàn)狀及展望［J］.金屬制品，2008，34（6）:53-57.

［5］胡春燕，劉新靈，陳星，等.主起落架上轉(zhuǎn)軸開裂原因分析［J］.航空學(xué)報(bào)，2014，35（2）:461-468.

［6］張璞.淺談氫脆與鍍前消除應(yīng)力和鍍后除氫處理［J］.電鍍與環(huán)保，2005，25（6）:11-12.

［7］劉德林，袁洪，陶春虎.30CrMnSiNi2A鋼螺釘斷裂分析［J］.失效分析與預(yù)防，2009，4（3）:174-177.

［8］傅國如，陳衛(wèi)東，呂鳳軍，等.飛機(jī)起落架支柱固定螺栓環(huán)境氫脆斷裂研究［J］.裝備環(huán)境工程，2007，4（6）: 50-53.

Research on Hydrogen Embrittlement Fracture of Fixing Bolt of Undercarriage

CHENG Zong-hui，ZHANG Shi-dong，HUANG Chao，CAO Qiang
（State-operated Machinery Factory of Wuhu，Anhui Wuhu 241007，China）

An aircraft undercarriage was found to have crack.The fracture mode and cause were analyzed by macroscopic and microscopic observation of fracture，metallographic examination，hardness testing and hydrogen content determination.The results show that the fracture mode is hydrogen embrittlement fracture.The plastic deformation caused in the process of repair resulted in local stress concentration，and no destressing process was carried out before electroplating，resulting in hudrogen embrittlement fracture.It is suggested that strict control of surface treatment process and destressing process should be carried out to reduce hydrogen embrittlement fracture.

fixing bolt；stress concentration；hydrogen embrittlement

V226

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2016.02.013

1673-6214（2016）02-0129-04

2016年1月10日

2016年3月18日

程宗輝（1979年-），男，碩士，工程師，主要從事失效分析及特種工藝等方面的研究。