起落架支柱搖臂耳片斷裂原因分析及改進

李 博，肖 文，文 庚

(中航飛機起落架有限責任公司，陜西 城固 723200)

隨著航空工業發展，高機動性、大載量型飛機研發制造，高強度鋼、超高強度鋼在航空制造業中得到廣泛應用。40CrNi2Si2MoVA鋼以其強度高、橫向塑性高、斷裂韌性高、疲勞性能優良及抗腐蝕性能好等優點，被廣泛應用于航空航天領域，通常用于起落架等承力部件[1-3]。但由于飛機服役環境復雜多變，承力部件往往會承受交變應力的影響遭到破壞，其結構力學性能也會隨之下降，長時間服役后便會誘發疲勞腐蝕裂紋，為飛機的飛行安全埋下嚴重隱患[4]。某飛機飛行后檢查發現左主起落架支柱搖臂雙耳片斷裂。支柱搖臂材料為40CrNi2Si2MoVA(300M)鋼，主要制造工藝流程：數控銑(粗加工零件外形)→數控銑(加工支臂外形及支臂內槽，粗加工支臂孔和止動臺)→鉗工(拋光)→總檢→熱處理(870 ℃，油淬+300 ℃，空冷，回火2次)→數控鏜(銑支臂止動臺及精加工支臂孔)→磨工→低溫回火→數控銑(關鍵工序)→鉗工→總檢→酸蝕檢查→磁粉探傷→噴丸→鍍鉻→磨工→低溫回火→總檢→低氫脆鍍鎘→磁粉探傷。支柱搖臂經過熱處理后抗拉強度值達到了設計要求，且在經過鍍鉻、低氫脆鍍鎘后未發現表面存在裂紋。本文對斷裂耳片進行了外觀檢查，對斷裂面進行了宏觀、微觀分析，檢查了耳片的金相組織、硬度，分析確定了斷裂性質及原因，并提出了改進及優化措施。

1 試驗過程與結果

1.1 宏觀觀察

主起收放作動筒部分結構如圖1所示，主起收放作動筒為雙耳片結構，圖示位置為此次故障耳片失效位置，即內、外耳片在兩耳片之間的槽底轉接處發生斷裂，槽底轉接處設計要求為R2±0.5 mm。內、外耳片斷裂位置一致，均在兩耳片之間的槽底轉接處發生斷裂，源區均位于耳片內側槽底轉接處上部棱角處，耳片內側均存在一處圓周劃痕，耳片孔附近存在漆層不完整情況(見圖2)。

圖1 支柱搖臂耳片外觀示意圖

圖2 斷裂耳片整體形貌

內側耳片斷口平坦，源區為線源，擴展棱線較粗大、明顯，源區附近斷面可見明顯疲勞弧線，斷口四周可見剪切唇，源區側面被漆層包裹，未見明顯異常痕跡(見圖3)。外側耳片斷口特征與內側耳片斷口類似，不再贅述。

a)源區形貌

1.2 微觀觀察

將斷口超聲清洗后，在JSM-5600LV掃描電鏡下進行微觀觀察。內側耳片斷口低倍形貌可見疲勞弧線特征；斷裂起始于表面，為線源，約長4 mm，源區未見冶金缺陷；擴展區可見明顯疲勞條帶特征，擴展長度約1.7 mm的不規則扇形區域，基本為疲勞弧線范圍以內；擴展區邊緣與瞬斷區交界處為疲勞條帶和韌窩形貌；疲勞弧線以外均為韌窩斷裂特征；源區側面存在磨損，未見明顯加工刀痕等特征(見圖4)。外側耳片斷口微觀特征與內側耳片斷口類似，不再贅述，其中源區長約3.5 mm，擴展區長約1.2 mm的不規則扇形區域，比內側耳片疲勞擴展區面積小。

a)源區形貌

1.3 金相組織觀察

切取內、外耳片截面制備各金相試樣，磨拋腐蝕后進行金相組織檢查。內、外耳片基體組織均為回火馬氏體組織，組織未見明顯異常。

1.4 R角尺寸測量

對內、外耳片里側槽底轉接處轉角進行測量，可以看出內耳片轉角直徑約3.27 mm，即R1.63 mm。處于設計要求下限(設計要求為R2±0.5 mm)，且圓角過渡處不圓滑。外耳片R角直徑約為3.29 mm，即R1.64 mm。處于設計要求下限(設計要求為R2±0.5 mm)，圓角過渡處相對較圓滑。

1.5 硬度檢測

對內、外耳片硬度進行維氏硬度檢測，按照GB/T 1172—1999轉化為洛氏硬度，可見內、外耳片硬度一致，均為54.5 HRC，滿足技術指標要求(見表1)。

表1 硬度檢測結果

2 分析與討論

左主起落架支柱搖臂雙耳片斷裂斷口宏觀可見明顯疲勞弧線，微觀可見明顯的疲勞條帶，說明左主起落架支柱搖臂雙耳片斷裂性質均為疲勞斷裂[5]。通過斷口疲勞擴展區長度對比可知，內耳片的疲勞擴展區長度約為1.7 mm，外耳片的疲勞擴展區長度約為1.2 mm，通過疲勞擴展區長度可知，內耳片首先發生疲勞開裂。內、外耳片均線性起源于雙耳片內側槽底轉接處前側棱角處，源區及源區側面均未見冶金和加工缺陷。R角尺寸測量結果表明，內、外耳片里側槽底轉接處R角均處于設計要求下限，R角尺寸過小，存在一定的應力集中效應，對于300M鋼這類高強度鋼來說，本身的缺口敏感性較大，應力集中效應大，在循環載荷作用下容易發生疲勞斷裂[6]，其中內耳片轉角邊緣過渡不良，會進一步促進應力集中程度，從而引起內耳片先發生疲勞開裂。

斷口觀察結果顯示，內、外耳片斷口疲勞區占整個斷面面積均較小，疲勞擴展區擴展棱線較粗大，說明耳片的工作應力較大，對耳片發生疲勞開裂也存在影響。耳片內側表面不均勻的圓周磨痕說明耳片受到異常外力，對疲勞開裂起促進作用。另外，內、外耳片組織均為回火馬氏體組織，組織未見明顯異常，硬度均滿足技術指標，說明材料與耳片疲勞斷裂無關。

綜上所述，雙耳片疲勞斷裂的原因主要與受到較大應力水平及R角圓角加工質量有關。

3 結語

通過上述研究可以得出如下結論。

1)左主起落架支柱搖臂雙耳片斷裂性質為疲勞斷裂。

2)雙耳片疲勞斷裂的原因主要與受到較大應力水平及R角圓角加工質量有關。

3)由于R角圓角尺寸較小會提高應力集中程度，建議對R角位置受力情況進行計算，進一步優化R角尺寸設計。

4)建議進一步提高倒角、倒圓表面加工精度，避免刀痕、劃痕等缺陷。