飛機(jī)關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈裂紋分析

王 珊，黃 超，歐陽康

（國營蕪湖機(jī)械廠，安徽 蕪湖 241007）

0 概述

飛機(jī)機(jī)體用關(guān)節(jié)軸承要求承載能力高，具有一定的調(diào)心能力，其運(yùn)動(dòng)方式多為擺動(dòng)或偏擺，速率低，需要定期潤滑，主要應(yīng)用于飛機(jī)艙門、起落架、方向舵、升降舵、襟翼、縫翼、擾流板、安定面、發(fā)動(dòng)機(jī)吊掛、操縱系統(tǒng)等部位[1]。其失效后將導(dǎo)致飛機(jī)上重要傳動(dòng)部件故障，嚴(yán)重時(shí)可影響飛行安全。國內(nèi)目前已有對(duì)于其相關(guān)失效模式的研究[2]和典型案例的相關(guān)分析[3-5]，但相關(guān)文獻(xiàn)分析未對(duì)過程開展詳細(xì)探討。

地面裝配前檢查，發(fā)現(xiàn)有一關(guān)節(jié)軸承裂紋，杠桿機(jī)構(gòu)非常緊澀、卡滯。軸承為標(biāo)準(zhǔn)件，工作中受34.3 N推拉力，工作環(huán)境為空氣。通過對(duì)關(guān)節(jié)軸承裂紋進(jìn)行了外觀觀察、體視檢查、微觀觀察、能譜分析，金相檢查、硬度測(cè)試，確定了軸承裂紋的斷裂性質(zhì)。

1 試驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1 外觀觀察

由圖1（a）可見，軸承為關(guān)節(jié)軸承，工作過程中為內(nèi)圈在軸承外圈中轉(zhuǎn)動(dòng)以起到萬向轉(zhuǎn)動(dòng)的作用。軸承的斷裂位置為軸承內(nèi)圈小孔處，裂紋上下貫通穿過小孔，見圖 1（b）。

圖1 斷裂軸承裂紋外觀

1.2 體視檢查

使用體視顯微鏡對(duì)裂紋處進(jìn)行觀察，由圖2（a）、（b）可見，軸承內(nèi)圈正面和端面都可見裂紋貫穿，說明該裂紋已整體裂穿。對(duì)比圖 2（a）、（c）、（d），可見斷裂小孔旁無工作過程中正常摩擦所產(chǎn)生的形貌，而另一側(cè)小孔處與完好軸承內(nèi)圈的表面均有工作中正常摩擦形成的痕跡。

圖2 軸承內(nèi)圈裂紋外觀形貌

通過機(jī)械方法將軸承內(nèi)圈裂紋打開，打開后的斷口表面呈黑灰色，表面存在明顯污染，斷口較平整，未發(fā)現(xiàn)疲勞弧線、人字紋等其它斷裂特征，見圖3。

圖3 軸承內(nèi)圈斷口體視形貌

1.3 微觀觀察

使用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)軸承內(nèi)圈斷口表面進(jìn)行觀察，低倍下可見斷口由于污染存在白色的不導(dǎo)電物質(zhì)，邊緣處可見有碎屑進(jìn)入受壓后覆蓋在斷口表面，具體見圖4。

圖4 軸承內(nèi)圈斷口微觀形貌

對(duì)斷口使用丙酮進(jìn)行超聲波清洗后，再次放入場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡中觀察，首先觀察小孔旁一側(cè)斷面，低倍斷口較平整，放大后可見斷口左右、上下處均為韌窩形貌，并且可見少量晶面開裂形貌，韌窩處可見大量析出相質(zhì)點(diǎn)，見圖5。

圖5 軸承內(nèi)圈清洗后小孔一側(cè)斷口微觀形貌

繼續(xù)觀察小孔旁另一側(cè)斷面，同前面觀察的一致，低倍斷口較平整，放大后可見斷口左右、上下處均為韌窩形貌，并且可見少量晶面開裂形貌，韌窩處可見大量析出相質(zhì)點(diǎn)，上側(cè)邊緣處可見碎屑受壓覆蓋在斷口表面，見圖6。

圖6 軸承內(nèi)圈清洗后小孔另一側(cè)斷口微觀形貌

1.4 能譜分析

使用能譜儀對(duì)未清洗斷口的元素分布情況和基體進(jìn)行分析，結(jié)果見表1?？梢姅嗫谖廴疚镏饕獮楹珻、O的有機(jī)物和含Si的無機(jī)污染物組成，基體金屬元素為Fe、Cr且Cr含量較高，可見判定該軸承為高鉻的不銹鋼。

表1 能譜分析結(jié)果（wt%）

1.5 金相檢查

在斷裂軸承內(nèi)圈截取部分試樣后，經(jīng)鑲嵌、磨制、拋光后，使用氯化高鐵鹽酸水溶液浸蝕后使用金相顯微鏡進(jìn)行觀察。由圖7可見，軸承內(nèi)圈組織為馬氏體+彌散析出的碳化鉻，部分碳化鉻形態(tài)較大，這可能與該材料含鉻量較高有關(guān)。

圖7 軸承內(nèi)圈金相組織

1.6 硬度測(cè)試

對(duì)軸承內(nèi)圈的金相試樣進(jìn)行維氏硬度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2，使用GB/T 1172-1999換算的洛氏硬度值HRC為62，符合一般高鉻耐磨不銹鋼的硬度要求。

表2 維氏硬度檢測(cè)結(jié)果

2 分析與討論

由宏觀觀察到的工作摩擦痕跡差異、斷口污染情況以及清洗后微觀觀察到的韌窩形貌可以推斷該軸承內(nèi)圈斷裂是早期發(fā)生的過載斷裂。

從金相組織和硬度符合高鉻耐磨不銹鋼的一般特征來看，該關(guān)節(jié)軸承不存在明顯的材料缺陷與冶金問題。體視觀察到的斷裂處工作面磨擦形貌區(qū)別于非斷裂處與完好軸承，可以推斷該處早期可能就已經(jīng)發(fā)生斷裂，并伴隨有一定程度的塑性變形導(dǎo)致裂紋處工作面無摩擦形貌。并且從斷口表面的污染情況看，斷裂時(shí)間較長(zhǎng)，表面被污染物覆蓋，能譜分析斷口上既有有機(jī)污染物也存在無機(jī)污染物。微觀上觀察斷口為韌窩，韌窩中存在大量析出物質(zhì)點(diǎn)，斷口為過載斷裂特征。由于該軸承內(nèi)圈裂紋早期便發(fā)生過載斷裂，隨著使用時(shí)間的增加，污染物不斷進(jìn)入斷口，導(dǎo)致裂紋緩慢張開，最終使得軸承內(nèi)圈尺寸發(fā)生變化導(dǎo)致使用時(shí)發(fā)生緊澀、卡滯的現(xiàn)象。

從工藝過程上分析，該關(guān)節(jié)軸承發(fā)生斷裂的工藝環(huán)節(jié)可能存在的裝配過程中[6]，關(guān)節(jié)軸承在裝配時(shí)，一旦內(nèi)圈收到過度受壓裝配或強(qiáng)制裝配的情況，極有可能在結(jié)構(gòu)薄弱部位產(chǎn)生過載斷裂，從宏觀上反映就是可能在內(nèi)圈小孔處發(fā)生斷裂。而裝配斷裂由于是受過載斷裂，斷裂處就很有可能發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致內(nèi)圈工作過程中斷裂處形貌與正常位置不一致，可能表現(xiàn)在工作摩擦痕跡不一致，使用卡滯等情況發(fā)生。建議后續(xù)嚴(yán)格控制同類型關(guān)節(jié)軸承的裝配過程，避免強(qiáng)制裝配，并在裝配完成后對(duì)內(nèi)外圈認(rèn)真進(jìn)行檢查。

3 結(jié)論與建議

（1）關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈斷裂是早期發(fā)生的過載斷裂；

（2）斷口污染物增加導(dǎo)致裂紋緩慢張開，使得軸承內(nèi)圈尺寸發(fā)生變化導(dǎo)致使用時(shí)發(fā)生緊澀、卡滯的現(xiàn)象；

（3）建議后續(xù)嚴(yán)格控制同類型關(guān)節(jié)軸承的裝配過程，避免強(qiáng)制裝配，并在裝配完成后對(duì)內(nèi)外圈認(rèn)真進(jìn)行檢查。