楊永，張宏明，吳朝華，張敏，蔚海清（石家莊海山實業(yè)發(fā)展總公司，石家莊 050200）

起落架用300M超高強度鋼應力腐蝕分析與防護

楊永，張宏明，吳朝華，張敏，蔚海清
（石家莊海山實業(yè)發(fā)展總公司，石家莊 050200）

目的 研究起落架用300M超高強度鋼的應力腐蝕防護措施。方法 分析起落架用300M超高強度鋼應力腐蝕開裂的機理。結果 針對應力源和應力腐蝕環(huán)境對起落架的影響，從材料的制造工藝、表面應力狀態(tài)和表面處理方法方面進行優(yōu)化。結論 提高了起落架的抗應力腐蝕能力，并對起落架的防應力腐蝕措施進行總結。

300M超高強度鋼；應力腐蝕；防護

40CrNi2Si2MoVA（300M）鋼是高強度的中碳低合金鋼，具有高強度、良好的韌性、良好的抗疲勞和抗應力腐蝕的性能，特別是它具有很好的淬火性，淬火和回火后強度可達1960 MPa。其主要用于制造飛機的起落架[1]，具有高強度和高韌性的特點，但其高強韌性影響著超高強度鋼的耐應力腐蝕性能。在處于潮濕大氣、工業(yè)大氣和海水等環(huán)境中時，污染性或腐蝕性氣體組分與高于某一臨界值的應力聯(lián)合作用于高強度鋼，則會使其萌生裂紋并逐漸擴展，最終導致超高強度鋼在大氣環(huán)境發(fā)生應力腐蝕開裂，甚至在蒸餾水中都有發(fā)生應力腐蝕開裂的可能。文中通過分析超高強度鋼應力腐蝕開裂機理，并對影響超高強度鋼的應力腐蝕的因素進行分析，確定超高強度鋼應力腐蝕防護措施。

1　起落架用300M超高強度鋼特性

目前國內起落架用超高強度鋼主要有30CrMnSiNi2A，40CrMnSiMoVA（GC-4），40CrNi2Si2MoVA （300M）等。由于30CrMnSiNi2A鋼的抗拉強度為1570～1765 MPa，落震試驗時，研制的飛機起落架在較低壽命下就出現(xiàn)了焊縫裂紋、螺紋斷裂、護板接頭疲勞裂紋等缺陷。GC-4鋼的抗拉強度為1800～2100 MPa，用其研制的起落架上出現(xiàn)了點狀缺陷、硫化物夾雜、粗晶、內部裂紋、焊縫缺陷、熱處理滲氫等問題，這些問題影響著起落架的壽命和可靠性。為此，國內研制了300M鋼用于起落架的制造，該鋼材的抗拉強度為1900～2100 MPa，采用真空爐冶煉，純凈度高，鋼的韌性、塑性、疲勞和應力腐蝕性能都比較好，使得起落架壽命得到了很大的提升。

超高強度鋼對腐蝕疲勞及應力腐蝕開裂非常敏感。應力腐蝕開裂和腐蝕疲勞是超高強度鋼的兩種主要失效方式。應力腐蝕開裂是造成高強度鋼故障的重要原因，其機理主要有兩類：陽極溶解型和氫脆型。應力腐蝕開裂在應力遠小于金屬強度且環(huán)境介質腐蝕性不強的條件下就會產生，是一種較危險的破壞形式。

2　超高強度鋼應力腐蝕開裂機理分析

應力腐蝕開裂是超高強度鋼在使用過程中發(fā)生突發(fā)性破壞事故的主要形式之一，應力腐蝕開裂是指受拉伸應力的金屬材料在某些特定的介質中，由于腐蝕介質和拉應力（可以是焊接、彎曲或其他成形工藝引起的殘余應力，也可以是內壓、機械載荷或熱膨脹引起的應力）的協(xié)同作用而發(fā)生的低于強度極限的脆性斷裂現(xiàn)象。一般認為，金屬材料在環(huán)境中發(fā)生應力腐蝕開裂需要同時具備以下三個條件，即敏感材料、特定環(huán)境和拉伸應力。合金比純金屬更容易產生應力腐蝕開裂，幾乎所有的合金在特定的環(huán)境中都有某種應力腐蝕敏感性。

美國飛機部件破壞調查分析表明，起落架多數(shù)是由于表面引起應力腐蝕或疲勞裂紋擴展而導致最后斷裂的。零件表面缺陷在應力和腐蝕介質的共同作用下，由于電化學反應，表面產生不均勻腐蝕坑，進而開始應力腐蝕裂紋擴展，且往往在宏觀應力遠低于屈服強度的情況下發(fā)生滯后破壞。

應力腐蝕斷裂過程可分為三個階段[2]：萌生階段，即由于腐蝕引起鋼的腐蝕敏感部位形成微小蝕坑或裂紋的階段，約為斷裂總時間的90%；裂紋擴展階段，即由裂紋源或蝕坑達到極限應力值（單位面積所能承受的最大載荷）為止的這一階段；失穩(wěn)斷裂階段。

應力腐蝕的機理主要有陽極溶解理論和氫致開裂理論。

陽極溶解理論認為：在應力腐蝕環(huán)境中，金屬被鈍化膜覆蓋，不與腐蝕介質直接接觸，鈍化膜在拉應力的作用下產生滑移，使鈍化膜破裂，形成蝕孔和裂紋源。金屬內部產生了一條狹窄的活性通道，隨后在拉應力的作用下，活性通道前端的鈍化膜反復破裂，產生裂紋，裂紋沿著垂直于拉應力作用的方向前進，只有鈍化膜受局部破壞后，裂紋才能形核，并在應力作用下，裂紋尖端沿某一擇優(yōu)路徑定向溶解，導致裂紋擴展，最終發(fā)生斷裂。

氫致開裂理論涉及氫離子的遷移，氫離子放電。吸附在金屬表面的一部分氫離子復合成分子，并以氫氣的形式逸出；另一部分氫原子變成溶解型吸附原子，然后吸附成為溶解在金屬中的原子氫，并通過擴散進入金屬內部，在應力的作用下它們富集在應力集中區(qū)，導致材料的低應力脆斷。超高強度鋼對氫脆非常敏感，無論是材料內部的氫還是環(huán)境中來的外氫。

超高強度鋼應力腐蝕開裂機理的出現(xiàn)，導致在考慮電鍍氫脆的同時，也要注意研究陽極性鍍層在使用過程中的腐蝕對基體材料氫脆影響。劉道新等[3]研究了帶鍍層300M鋼應力腐蝕開裂行為的機理，發(fā)現(xiàn)電鍍Cr，Cr-Ti鍍層均使300M鋼應力腐蝕開裂敏感性增加。陰極鍍層加速的電偶腐蝕對鍍Cr 300M鋼的應力腐蝕開裂過程有明顯的促進作用；陽極鍍層促進氫致開裂，是鍍Cr-Ti及鍍Al 300M鋼應力腐蝕開裂的失效機制。

應力腐蝕裂紋形態(tài)有沿晶型、穿晶型和混合型。如高強度鋼、鋁合金和鎳基合金是沿晶型的（稱為晶間腐蝕破裂），奧氏體不銹鋼多是穿晶型的（應力腐蝕破裂）。300M鋼的應力腐蝕為沿晶開裂模式，裂紋源于表面開始的腐蝕部位并向內部擴展[1]。裂紋斷口的形貌，宏觀上屬于脆性斷裂，即使塑性很高的材料也是如此。從微觀上觀察，在斷裂面上仍有塑性流便痕跡，斷面有裂紋分叉現(xiàn)象，斷口形貌呈海灘條紋、羽毛狀、扇子形等癥狀。裂紋方向宏觀上和主拉伸應力的方向垂直，微觀上略有偏移。

3　300M鋼應力腐蝕因素分析

影響金屬材料應力腐蝕性能的因素很多，包括力學因素、環(huán)境因素及金屬學因素。當合金體系確定以后，應力與環(huán)境成為應力腐蝕的兩個主要方面。

3.1300M鋼的抗應力腐蝕特性

300M鋼超高強度鋼顯微組織以片狀馬氏體結構為主，同時存在孿晶馬氏體及沉積于片狀馬氏體間的脆性滲碳體。孿晶馬氏體導致局部高應力并限制位錯移動，滲碳體構成氫致開裂敏感途徑。因此，300M超高強度鋼在外加應力與環(huán)境介質的共同作用下，陽極溶解與氫致開裂過程均易進行。

元素的化學作用可以影響材料的耐蝕性，隨著金屬強度的升高，抗應力腐蝕性能明顯降低。提高鋼中的Ni，C，Si等元素含量可提高超高強度鋼的應力腐蝕性能，而N，P，Ti等元素卻會降低其耐應力腐蝕能力。金屬材料的屈服強度會影響金屬內氫擴散的過程和速度，隨著屈服強度的提高，裂尖前緣氫聚集的速率加快，從而使氫致開裂速率增大。李繼欣等[4]測定了300M超高強度鋼在蒸餾水和3.5%NaCl水溶液中的應力腐蝕斷裂性能，結果表明，當抗拉強度為2020 MPa，相對于1915 MPa時，其斷裂韌性臨界值下降17.8%，抗應力腐蝕性能明顯降低。

3.2影響應力腐蝕的環(huán)境因素

影響應力腐蝕的環(huán)境因素主要包括腐蝕介質和介質溫度。腐蝕介質的離子種類以及體系的電化學狀態(tài)對應力腐蝕有著重要的影響，當溶液電位超過一定值時，就發(fā)生破裂。溶液中的Cl離子的存在容易造成300M鋼表面鈍化膜破壞，并協(xié)同拉應力促進鋼表面膜的局部破壞，形成大陰極（鈍化膜）-小陽極（鋼基）腐蝕電偶，從而促進應力腐蝕開裂敏感性[5]。300M鋼的應力腐蝕敏感性取決于環(huán)境，在海洋大氣環(huán)境下具有較高的應力腐蝕敏感性[1]。

電化學研究方法表明，300M鋼對3.5%的NaCl溶液相當敏感[6]。如圖1所示，為300M鋼在空氣中和不同電位下的慢應變速率拉伸試驗中的應力-應變曲線對比圖，圖1b為其局部放大圖。從圖1可見，與空氣中的值相比，300M鋼在溶液中開路電位（OCP）下的伸長率和斷裂強度都有明顯下降，說明300M鋼在3.5%NaCl溶液中存在應力腐蝕敏感性。與開路電位相比，陽極和陰極電位對伸長率和斷裂強度的影響則有不同趨勢。

圖1　300M鋼在空氣中和不同電位下的應力-應變曲線Fig.1 Stress-strain curves of 300M steel in the air and at different potentials

3.3影響應力腐蝕的應力因素

引起超高強度鋼應力腐蝕開裂的應力主要是在淬火、焊接、扭轉、拉伸和配合等過程中產生的。應力腐蝕開裂主要發(fā)生在應力集中部位。應力主要來源于設備或部件在工作條件下的外載荷，另外還包括材料在生產制造或者加工過程中殘留的應力。應力的主要作用是引起合金塑性變形，使裂紋尖端表面膜破裂、滑移臺階露頭，裂紋尖端活性增加，引起局部腐蝕；同時使微裂紋向縱深擴展，新鮮電解液不斷地流入，促進了裂紋尖端腐蝕過程的持續(xù)進行。如果不存在靜拉伸應力，即使有敏感的合金與特定的介質配合，應力腐蝕同樣不會出現(xiàn)，壓應力是不會產生應力腐蝕開裂的。

4　超高強度鋼應力腐蝕防護措施分析

通過對超高強度鋼應力腐蝕產生的原因分析，針對起落架用300M超高強度鋼的抗應力腐蝕能力提升，應主要從材料、環(huán)境、拉伸應力方面制定防護措施。同時對起落架的使用維護和維修進行完善。

4.1改變材料的制造工藝

超高強度鋼對氫脆很敏感，采用空氣爐或甲醇裂化爐熱處理都存在滲氫、零件表面氧化脫碳等問題，而表面脫碳會降低疲勞強度。300M鋼采用真空熱處理技術，避免了滲氫，零件表面光亮，無氧化脫碳、增碳和晶界氧化等缺陷，提高了零件的表面質量[7]?？刂芐含量和硫化物，獲取高純度300M超高強度鋼，提高在腐蝕環(huán)境中的疲勞裂紋擴展速率。

通過改進熱處理工藝，降低板條束尺寸，從而降低邊界裂紋的平均自由程，以改變抗氫脆能力[8—9]；設法阻止氫在板條界的聚集，改變板條邊界對氫脆的阻力；減少孿晶馬氏體量，并設法在馬氏體間均勻地分布一層穩(wěn)定的殘余奧氏體薄膜，提高抗應力腐蝕開裂能力[10]。

4.2改變表面的應力狀態(tài)

通過“無應力集中”抗疲勞概念設計，降低零件的應力集中水平，通過增加過渡圓角，強化薄弱環(huán)節(jié)等措施，提高材料的抗疲勞特性。同時控制機械加工，尤其是控制磨削及其他精加工，保證其表面完整性。

通過表面強化技術，改變零件的表面應力場，如噴丸強化、孔擠壓強化、螺紋滾壓強化等手段。噴丸強化能非常有效地改善金屬零件疲勞斷裂和應力腐蝕斷裂抗力，通過合適的噴丸工藝強化后，可以使300M鋼因電鍍、表面脫碳和表面粗糙等造成的疲勞降低得到恢復。電鍍后表面的拉應力高達600 MPa，應力場的深度約為0.08 mm，而噴丸后電鍍，表面的拉應力深度為0.02～0.03 mm，在鍍層與基體過渡區(qū)則為壓應力，在基體上還存在較大的壓應力場，深度可達0.3 mm，可有效降低零件表面的拉應力影響，提高零件的抗應力腐蝕能力。同樣，通過孔擠壓強化、螺紋滾壓強化均能改變零件表面的應力場，由拉應力變?yōu)閴簯?，有效提高疲勞強度和抗應力腐蝕能力。

4.3表面防護技術

通過在金屬表面涂覆耐蝕涂料或鍍覆耐蝕金屬或合金，將金屬與環(huán)境介質隔離起來[11]，可有效提高金屬的抗腐蝕能力。

1）低氫脆電鍍防護。低氫脆鍍鎘-鈦代替?zhèn)鹘y(tǒng)的磷化用于高強度鋼的表面防護，有效地隔離了應力腐蝕介質，極大地提高了零件的耐蝕性。起落架尺寸較大、結構復雜，導致在電鍍時出現(xiàn)防護的“真空部位”。采用低氫脆刷鍍鎘工藝，是低氫脆鍍鎘-鈦和低氫脆鍍鎘（松孔鍍鎘）的配套工藝，保證了零件防護表面的完整性。同時，在鍍層上噴涂底漆和面漆，能夠有效地保護基體不受外部環(huán)境的影響。

2）熱噴涂防護。由于常用的表面處理方法在電鍍過程中引入的氫容易引起氫脆，通過熱噴涂WC涂層的方法，明顯提高了材料的耐蝕性。周克崧等[12]采用電化學的方法研究300M鋼及其表面WC涂層在3.5%NaCl水溶液中的腐蝕性為，所測的電化學極化曲線如圖2所示。300M鋼基體的腐蝕電位最低，經WC-17Co和WC-10Co4Cr涂層處理后，腐蝕電位明顯升高。熱噴涂涂層有良好的硬度及耐磨性，此防護技術可用于零件運動摩擦部位的防護。

圖2　300M鋼在3.5%NaCl水溶液中的極化曲線Fig.2 Polarization curve of 300M steel in 3.5%NaCl aqueous solution

4.4起落架的使用維護及維修

起落架長期暴露在外界環(huán)境中，其應力腐蝕和氫致開裂的傾向性增加，因此在起落架的使用維護過程中，需要對零件采取嚴密的防護措施，以提高起落架零件的使用壽命。通過對起落架的表面完整性進行監(jiān)控，利用刷鍍鎘或補漆的方式保證表面防護層的完整性，實現(xiàn)與應力腐蝕環(huán)境的物理隔離。

零件在表面處理、裝配、使用、分解等過程中均會有殘余應力產生，同時起落架經過長時間使用，也存在內部的殘余應力。在起落架維修時，應先釋放應力，降低起落架本身的應力水平，對應力集中區(qū)及疲勞關鍵區(qū)進行無損檢測，提前發(fā)現(xiàn)表面微裂紋，并對起落架的熱損傷進行檢測。

零件的表面缺陷會引起應力集中，是應力腐蝕的誘因，維修過程中嚴格控制起落架的外部缺陷，修復起落架表面損傷，并重新恢復零件表面防護層，以保證起落架在壽命期內的抗應力腐蝕能力和可靠性。同時要嚴格控制過程，防止過程中產生應力腐蝕的影響因素，如碰傷、機械加工、敲擊、氫脆等。所有過程中禁止接觸酸性物質，以防產生氫脆。

5　結語

文中通過對300M鋼的應力腐蝕開裂機理分析，確定影響應力腐蝕的材料、環(huán)境、應力因素，從材料本身、熱處理方法、表面強化及表面防護等方面分別闡述了提高材料抗應力腐蝕特性的措施，并對起落架的使用維修過程中，提高300M材料的抗腐蝕應力特性措施進行總結。

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Analysis and Protection of Stress Corrosion of 300M Ultra-high Strength Steel for Landing Gear

YANG Yong，ZHANG Hong-ming，WU Zhao-hua，ZHANG Min，YU Hai-qing
（Shijiazhuang Haishan Industrial Development Corporation，Shijiazhuang 050200，China）

Objective To study the protection measures against stress corrosion of 300M ultra-high strength steel for landing gear.Methods The mechanism of stress corrosion cracking of 300M ultra-high strength steel for landing gear was analyzed.Results According to the effects of the source of stress and the stress corrosion environment on the landing gear,optimization was conducted from aspects of the manufacturing process,the surface stress state and the surface treatment methods of the material.Conclusion The stress corrosion resistance of landing gear was improved, and the prevention measures against stress corrosion of landing gear were summarized.

300M ultra-high strength steel；stress corrosion；protection

2015-10-13；Revised：2015-11-10

10.7643/issn.1672-9242.2016.01.013

TJ07；TG174

A

1672－9242（2016）01－0068-05

2015-10-13；

2015-11-10

楊永（1985—），男，河北石家莊人，碩士，主要從事國產殲擊機起落架的修理。

Biography：YANG Yong（1985—），Male，from Shijiazhuang，Hebei，Master，Research focus：repair of landing gear for domestic fighters.