程宗輝，張世東，黃　超，曹　強

（國營蕪湖機械廠，安徽蕪湖241007）

飛機起落架固定螺栓氫脆斷裂研究

程宗輝，張世東，黃超，曹強

（國營蕪湖機械廠，安徽蕪湖241007）

飛機起落架一固定螺栓發(fā)現裂紋，經斷口宏觀觀察、微觀觀察、金相檢查、硬度檢測及H含量測定，綜合分析確定該型螺栓的斷裂性質，并分析斷裂失效的原因。研究結果表明，螺栓的斷裂性質為氫脆斷裂，其修理過程中發(fā)生塑性變形產生局部應力集中，電鍍前未除應力是氫脆斷裂誘因，并導致最終斷裂。建議該型螺栓修理時應嚴控表面處理過程，嚴格執(zhí)行除應力措施，從而降低該型螺栓發(fā)生氫脆斷裂的可能性。

固定螺栓；應力集中；氫脆

0　引言

氫脆的研究從上世紀開始成為眾多學者的重點研究領域［1-2］。而在航空修理作業(yè)中，氫脆的影響貫穿整個特種工藝修理過程。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，帶應力裝配，會使零件產生較大的應力集中，而特種工藝修理環(huán)節(jié)可能產生的吸氫，將進一步誘發(fā)氫脆的產生。在近期修理中發(fā)現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用的低合金高強度鋼，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。由于力學性能優(yōu)異，被廣泛應用于制造高強度連接件、緊固件，以及起落架等重要受力結構件等［3-5］。飛機起落架固定螺栓材料的技術要求為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、無損檢測和安裝。

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

1　試驗方法

采用I551-CHA掃描電鏡和SZX12體式顯微鏡對螺栓斷口進行宏微觀觀察，在硬度試驗機上對螺桿的硬度進行測試，使用O、N、H分析儀進行化學成分分析。在試驗基礎上確定螺栓的斷裂性質，并分析斷裂原因。

2　試驗過程與結果

2.1宏觀檢查

檢查斷裂螺栓的外觀，發(fā)現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。在放大鏡下對整個斷口進行觀察分析:斷口較平齊，無明顯宏觀塑性變形，中心部位有起伏，側面觀察局部有二次裂紋現象；斷面上可以觀察到反光小刻面，結構呈結晶顆粒狀，色澤為亮灰色，外圓周邊無明顯鍍層滲透和腐蝕現象；斷口表面零星分布著點狀銹蝕，從其形貌看應為斷后環(huán)境侵蝕所至，裂紋起始于螺栓外壁，整個斷口材質潔凈，未發(fā)現明顯的冶金缺陷；同時螺栓存在明顯敲擊變形痕跡。

2.2微觀觀察

螺栓經超聲波清洗后，在掃描電鏡下進行斷口微觀分析，可見:斷裂從四周向中心擴展，大部斷口表現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)域為瞬斷區(qū)，呈沿晶+韌窩斷口形貌（圖5）。斷口整體上呈現典型的氫脆斷裂形貌特征。

2.3化學成分分析

對斷裂螺栓破壞取樣后，在O、N、H分析儀上進行H含量檢測，其值為（2.05～3.10）× 10-6；同時對斷裂螺栓材料成分進行確認，其主要元素檢測結果見表1，符合30CrMnSiNi2A材料標準的要求。

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　化學成分結果Table 1　Results of chemical composition analysis　%

2.4硬度測定

對斷裂螺栓進行鍍層厚度和洛氏硬度檢測。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標準換算可得相應抗拉強度σb=（1594～1702）MPa?？梢?，鍍層厚度超標，強度符合技術指標要求。

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

對螺栓斷口靠近鍍鎘層進行能譜分析，結果如圖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Cd元素滲入斷口，據此可以排除鎘脆現象。

2.7對比試驗分析

對與斷裂的固定螺栓同批進行鍍鎘的8件未裝機的30CrMnSiNi2A零件進行對比分析。該8件螺栓未發(fā)現敲打變形痕跡，表面處理后也未發(fā)現開裂。檢測鍍層厚度和H含量，8件零件的鍍層厚度均在15～20 μm的范圍內，H含量見表2。從檢測結果看，鍍層厚度基本相當，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號外，其余H含量均超過了3×10-6，但H含量分散性較大，雖經同批表面處理過程，但仍出現H含量結果的差異性，H含量的測試結果影響因素較復雜。

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

表2　H含量測試結果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)能譜分析結果看，斷口外圓周邊無明顯鍍層滲透和腐蝕現象，且未發(fā)現Cd元素滲入斷口，據此可以排除鍍前開裂、漏探及鎘脆現象。

從斷口分析看，裂紋沿晶擴展及沿晶二次裂紋，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為氫脆斷裂。同時宏觀檢查發(fā)現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，存在應力集中現象。依據HB/Z 318—1998《鍍覆前消除應力和鍍覆后除氫處理規(guī)范》規(guī)定，凡抗拉強度σb≥1050MPa的鋼制零件，為減少由于機械加工、磨削、冷成形、冷矯正等工序產生殘余應力并防止鍍覆時開裂，鍍覆前應進行消除應力處理。由于零件已由于敲擊變形產生塑性變形，進一步提高材料的局部應力集中。而查詢修理記錄發(fā)現該零件在鍍前未進行消除應力處理。根據相關文獻［6-8］研究表明，零件應力集中會對電鍍氫脆性具有一定的影響作用。

結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)生塑性變形后產生局部應力集中，未在表面處理前進行去應力處理，使得零件經表面處理后氫脆性增加。

4　結論和建議

1）螺栓的斷裂性質為氫脆斷裂，斷裂誘因為零件塑性變形產生局部應力集中，且表面處理前未進行去應力處理。對該批未經鍍前去應力的零件全部進行報廢處理。

2）建議30CrMnSiNi2A類低合金高強度鋼修理件再次表面處理時，應嚴格表面處理過程，電鍍前必須進行應力消除，并嚴格控制除氫溫度和時間，采用“缺口拉伸試驗法”對電鍍溶液和鍍層氫脆性能進行檢測，減少氫脆斷裂的產生。

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

［1］陳華鋒.高強度螺栓氫脆斷裂失效的表征研究［D］.上海:機械科學研究總院，2009:1-2.

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［3］《工程材料實用手冊》編輯委員會.工程材料實用手冊 第1卷結構鋼、不銹鋼［M］.北京:中國標準出版社，2001:204-205.

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

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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。