飞机起落架30CrMnSiNi2A下扭力臂裂纹分析.pdf

Alage失效分析October,2023RECHULIJISHU YU ZHUANGBEI2023年10 月Vol.44,No.5第44卷第5期热处理技术与装备飞机起落架30 CrMnSiNi2A下扭力臂裂纹分析胡小华，龙晓伟，曹镇君，马丽莎？（1.93145部队，江西南昌330213；2.航空工业洪都，江西南昌330024)摘要：飞机起落架30 CrMnSiNi2A下扭力臂在使用过程中出现裂纹，影响产品的正常使用。通过宏观形貌观察、SEM观察、金相分析、能谱分析及化学成份分析等方法，对下扭力臂出现裂纹的原因进行分析。结果表明，下扭力臂锻件在锻造过程中的终锻温度偏低和未及时进行去应力回火，导致锻件拐角区域出现裂纹。关键词：起落架；30 CrMnSiNi2A；下扭力臂；锻造；裂纹中图分类号：TG142.33；V2 2 6文献标识码：A文章编号：16 7 3-497 1（2 0 2 3）0 5-0 0 58-0 3nalysis of Crack in 30CrMnSiNi2A Lower Torque Force Arm of UndercarrHU Xiao-hua,LONG Xiao-wei,CAO Zhen-jun,MA Li-sha?(1.93145 Airmy,NanChang Jiangxi 330213,China;2.AVIC Hongdu,Nanchang Jiangxi 330024,China)Abstract:The 30CrMnSiNi2A lower torque force arm of undercarriage had cracks during use,affecting thenormal use of product.The cause of the crack in the lower torque force arm was analyzed by means of mac-roscopic morphology observation,SEM observation,metallographic analysis,energy spectrum analysis andchemical composition analysis,etc.The results showed that the final forging temperature of the lowertorque force arm forging during the forging process was low,and stress relief tempering was not carried outin a timely manner,resulting in crack in the corner area of the forging.Key words:undercarriage;30CrMnSiNi2 A;lower torque force arm;forging;crack30CrMnSiNi2A钢是在30 CrMnSiA钢的基础上提高了锰和铬的含量，并添加了1.40%1.8 0%Ni（质量分数），使其淬透性得到了明显提高，改善了钢的韧性和回火稳定性。经热处理后可获得高的强度、塑性和韧性，良好的抗疲劳性能和断裂韧度，低的疲劳裂纹扩展速率，因而常常被用作飞机起落架等重要受力结构件。但该钢对缺口和氢脆较敏感 2 ，且服役环境比较恶劣，在弯曲、拉伸、扭转等多种载荷的复合作用下该钢制作的零部件在服役期间易发生失效，带来飞行安全隐患3-41我国在2 0 世纪50 年代仿制俄罗斯的钢种研制出30 CrMnSiNi2A钢 5】，并广泛应用于航空航天领域中，诸多学者在此基础上对该钢进行了研究和探索(6-8 。潘雅琴等 9 发现30 CrMnSiNi2A钢在90 0 奥氏化30 min油淬后，经2 0 0 30 0 回火具有较好的综合力学性能，而在350 450 回火后出现回火脆性。袁书强等 10 研究了回火温度对30CrMnSiNi2A钢微观组织的影响，在18 0 2 8 0 回火时其显微组织为回火马氏体，具有较高的强度和硬度；随着回火温度的升高，8 碳化物明显聚集长大，其组织由回火马氏体转变为索氏体，硬度和强度均下降。彭扬文等 1 通过分析得出热处理温度过高引起组织过烧，导致30 CrMnSiNi2A钢活塞杆断裂。胡生双等 12 研究了真空炉、空气炉、盐浴炉及气体收稿日期：2 0 2 3-0 7-13作者简介：胡小华（198 0 一），男，高级工程师，学士，主要从事装备质量监督工作。联系电话：[phone];E-mail:59.第5期胡小华等：飞机起落架30 CrMnSiNi2A下扭力臂裂纹分析保护炉四种加热方式对30 CrMnSiNi2A钢淬硬层组织的影响，得出真空炉和气体保护炉优于盐浴炉和空气炉。某飞机例行检查时，发现右起落架下扭力臂大双耳根部处有疑似裂纹，经磁粉检测，在下扭力臂大双耳根部R处发现一条长度约6 mm的裂纹。下扭力臂材料牌号为30 CrMnSiNi2A（锻件），热处理要求，为16 6 510 0 MPa，加工过程为：锻件铣耳片热处理磨耳片外侧表面倒角一去应力回火磁粉检测（10 0%）一检验表面处理（磷化）。裂纹的出现会严重影响飞机安全性，因此本文对飞机起落架30 CrMnSiNi2A下扭力臂进行失效分析，确定裂纹性质及产生原因，为预防此类问题的发生提供指导。1理化检验1.1宏观形貌观察下扭力臂宏观形貌如图1所示，裂纹位于大双耳根部R处，裂纹长度约为5mm，且裂纹附近有明显的磨损痕迹。沿裂纹扩展方向打开断口，断口宏观形貌如图2 所示，整个断口表面呈黑色且较平坦；而人为打开断口部分呈白亮色裂纹图1下扭力臂宏观形貌Fig.1Macro morphology of the lower torque force armo原始断口打开断口图2断口宏观形貌Fig.2Macro morphology of fracture surface1.2SEM观察采用扫描电子显微镜观察断口形貌，断口低倍形貌如图3所示，断口表面较平坦，裂纹深度约为0.87mm,裂纹长度约为3.2 mm。SE,MMAG:75XDET:SEDetnctorSEMMAG:57XDET:SEDetectorHV:20.00KVDATE09/23/14mmV20.00KMDATE:09/24/14mrn图3断口低倍形貌Fig.3Macroscopic morphology of fracture surface观察断口微观形貌，整个断口表面被腐蚀产物覆盖，断口近表面位置的腐蚀形貌如图4（a）所示。裂纹尾部的腐蚀形貌呈网状开裂【13，人为打开断口表面为韧窝特征，如图4(b）所示。(a)(b)打开断口DETSEDeledeTSEMMTDETSEDelectorH20.00VDATE:OSPH50mHV.120.00kVDATEO92A450.mVAC:HViCDOVCOYG2706T3CNDipetMiroacepywnagingVAC.HIVUC.Dece:VO2070573CDigtarMicroscopytmeging（a）断口近表面位置腐蚀形貌；（b）裂纹尾部腐蚀形貌和打开断口的韧窝形貌图4断口微观形貌(a)corrosion morphology near the surface of the fracture;(b)corrosionmorphology of crack tail and dimple morphology of open fracture surfaceFig.4NMicro morphology of fracture surface1.3能谱分析近零件表面处的断口能谱分析结果见表1，裂纹尾部的断口能谱分析结果见表2，打开断口的能谱分析结果见表3。由表13可知，原始断口表面被一层氧化物覆盖，除了氧元素，未见其他异常元素；而人为打开断口处未见异常元素 14.60第44卷热处理技术与装备表1近零件表面处的断口能谱分析结果Table1Energy spectrum analysis results of fracturesnear the surface of parts元素CKOKSiKCrKMnKFeKNiK质量分数/%0.5518.572.99 2.441.5371.981.95原子百分比/%1.6842.843.931.73 1.0247.571.22表2裂纹尾部的断口能谱分析结果Table2Energy spectrum analysis results of fracturesurfaceatthe crack tail元素CKOKSiKCrKMnKFeKNiK质量分数/%0.3214.882.311.551.2876.543.13原子百分比/%1.0436.973.271.180.9354.492.12表3打开断口的能谱分析结果Table3Energy spectrum analysis results of open fracture surface元素CKSiKCrKMnKFeKNiK质量分数/%0.221.121.121.0295.341.18原子百分比/%1.002.191.181.0193.511.101.4化学成分分析在30 CrMnSiNi2A下扭力臂零件上取样进行化学成分分析，结果见表4，其化学成分符合标准GJB19511994技术要求。表4化学成分检测结果Table4Chemical composition test results元素CCrMnSiNi检测结果0.311.101.131.001.63标准要求 0.2 7 0.34 0.90 1.2 0 1.0 0 1.30 0.90 1.2 0 1.40 1.8 01.5金相组织观察在断口处截取金相试样进行金相组织观察，如图5所示。从图5中可以看出，心部金相组织为回火索氏体，断口处（“裂纹”侧面）有脱碳现象a(b)L00m1Om（a）断口处脱碳形貌；（b）心部金相组织图5试样金相组织(a)decarburization morphology at the fracture surface;(b)core microstructureFig.5Microstructure of sample1.6硬度检测在零件上截取硬度试样进行布氏硬度检测，检测结果分别为47 1HBW、47 7 H BW，换算强度分别为1620MPa、16 46 M Pa（换算强度值仅供参考）。对断口处脱碳层的硬度进行显微硬度检测，检测结果分别为40.30 HRC、39.42 H RC,换算强度约为12 43MPa（换算强度值仅供参考）。2分析讨论通过对30 CrMnSiNi2A下扭力臂进行化学成分分析（表4），其结果符合标准GJB19511994技术要求，这说明下扭力臂裂纹并不是由原材料的错混料问题而致。另外，通过对断口进行SEM观察、能谱分析（图3、图4，表1 3），发现断口表面有较严重的氧化腐蚀形貌，说明裂纹已产生了较长的时间；整个原始断口特征一致，无明显差异，说明在使用过程中裂纹并未扩展 15。通过对断口进行金相组织观察（图5）和显微硬度检测，发现裂纹断口表面存在脱碳现象，且显微硬度较低，说明裂纹在热处理前已产生；心部金相组织为回火索氏体，其硬度约为16 2 0 MPa，检测结果符合要求，说明零件加工后的热处理过程符合要求。综合分析下扭力臂锻件的锻造过程和下扭力臂零件的生产过程，导致裂纹断口处出现脱碳现象的主要原因是锻件在锻造过程的加热和零件在热处理过程的加热 6 。下扭力臂零件在热处理前，扭力臂大双耳根部并没有加工工序，由零件加工过程生产裂纹的概率极少，因此该裂纹是下扭力臂锻件在锻造过程中产生的。在锻造过程中，由于终锻温度控制不好导致终锻温度偏低，在锻压过程产生较大的应力，甚至产生裂纹；另外，在锻造过程中存在较大的热应力，如果未及时进行去应力回火，极易产生裂纹或使裂纹扩展，最终导致锻件应力相对集中的拐角处出现裂纹。3结论飞机起落架30 CrMnSiNi2A下扭力臂出现裂纹，是由于锻造过程中的终锻温度偏低和未及时进行去应力回火，导致锻件拐角处产生较大的应力，从而使起落架在弯曲、拉伸、扭转等多种载荷的复合作用下出现裂纹。(下转第6 5页）上接第6 0 页）65.第5期应俊龙等：高强钢的Q&P热处理工艺研究进展11吴腾,陈梦圆,吴润.配分温度对热轧Q&P钢组织性能的影响 J.热处理技术与装备,2 0 2 1,42（1）：6-9.12郭艳辉，付斌，邓想涛.低碳硅锰钢的Q&P热处理工艺J.金属热处理,2 0 19,44（7）：2 4-2 7.13章辉.低碳低合金超细晶Q&P钢的组织性能研究 D.沈阳：东北大学，2 0 19.【14刘芳，胡艳华.淬火-碳分配热处理对2 2 MnB5钢组织与性能的影响 J.铸造技术,2 0 17,38（1)：7 7-7 9.15 走赵荣达，刁瑞佳，靳琳琳，等.淬火-配分（Q-P）热处理对18 Cr2Ni4W钢渗碳层组织和硬度的影响J.金属热处理,2 0 16,41(2)：159-16 2.16 】各章国.超高强中锰钢的Q&P热处理工艺及变形机制研究 D.北京：北京科技大学，2 0 17.17 张君.低碳高强度Q&P钢的热处理工艺及变形机制研究 D.沈阳：东北大学，2 0 15.18 王炳权.汽车用高强钢的Q&P热处理及钢中合金元素的扩散行为 D.沈阳：东北大学，2 0 14.19 Rizzo F C,Edmonds D V,He K,et al.In carbon enrich-参考文献1刘德林，袁洪，陶春虎.30 CrMnSiNi2A钢螺钉断裂分析J.失效分析与预防,2 0 0 9,14（3）：17 4-17 7.2王永庆.30 CrMnSiNi2A螺栓断裂分析 J.理化检验（物理分册）,2 0 0 0（10）：46 1-46 3.3侯卫国，袁春，潘登科，等.起落架缓冲器上支臂支座断裂分析 J.失效分析与预防，2 0 19,14（3）：18 4-18 7.4张泰峰，张勇，樊伟杰，等.模拟高低空交变环境下30CrMnSiNi2A钢力学性能研究J.装备环境工程，2020,17(2):66 71.5刘宪民，王春旭，刘获，等.超高强度结构钢的历史及发展 C.第三届北京冶金年会，2 0 0 2：13-2 0.6刘天琦.回火温度对30 CrMnSiNi2A钢组织和性能的影响 J.特殊钢，2 0 0 3，2 4(2：16-18.7花峰，刘宪民，王春旭.化学成分对30 CrMnSiNi2A钢力学性能的影响J.钢铁研究学报，2 0 0 3,15（3）：2 529,69.8Wang K,Wen D X,Li J J,et al.Hot deformation behav-iors of low-alloyed ultrahigh strength steel 30CrMnSiNi2A:Microstructure evolution and constitutive modeling J.ment of austenite and carbide precipitation during thequenching and partitioning（Q&P）p r o c e s s,p r o c e e d i n g sof an international conference on solid-solid phase transfor-mations in inorganic materials 2005 C.AZ,Phoenix,Wiley,2005:535-544.20 Edmonds D V,He K,Rizzo F C,et al.Quenching andpartitioning martensite-A novel steel heat treating J.Ma-terials Science and Engineering A,2006,438-440(25):25-34.21 Santofimia M J,Zhao L,Sietsma J.Microstructural evolu-tion of a low-carton steel during application of quenchingand partitioning heat treatments after partial austenitizationJ.Met.Mater.Trans.A,2009,40A:46.22 Wang C Y,Shi J,Cao W Q,et al.Characterization ofmicrostructure obtained by quenching and partitioningprocess in low alloy martensitic steelJ.Materials Scienceand Engineering A,2010,527:3442-3449.Materials Today Communications,2021,26:102009,1-9.9潘雅琴，张颂华，张自国.热处理对30 CrMnSiNi2A钢组织和性能的影响 J.金属热处理，198 0,5（2）：2 6-32.10袁书强，沈正祥，周春华，等不同热处理条件下30CrMnSiNi2A钢的组织性能研究J.材料科学与工艺,2 0 15,2 3(2):12 5-12 8.11彭扬文，侯学勤.30 CrMnSiNi2A钢活塞杆断裂分析J.宝钢技术,2 0 18(6):2 8-31.12 胡生双，朱磊，周越，等.加热方式对30 CrMnSiNi2A钢淬硬层组织的影响 J.金属热处理，2 0 18，43（8）：17 4-178.13马康民，宣建光，康进兴.30 CrMnSi2A钢飞机主梁疲劳断裂分析 J.材料工程，2 0 0 1（10）：42-44.14崔.钢铁材料及有色金属材料M.北京：机械工业出版社.198 0:2 8 0-2 8 4.15张春山杨帆.某飞机平尾对接螺栓断裂分析 J.飞机工程,2 0 0 6,18(6):56-58.16戈阿丽.运七飞机起落架连接摇臂断裂分析 J.材料工程,19 9 8(5):10-11,2 3.