某型飛機主起落架活塞桿裂紋分析

王俊，祖揮程，滕偉杰，歐陽康

（國營蕪湖機械廠，安徽 蕪湖 241007）

0 引言

主起落架緩沖支柱大部分都采用了油氣混合式緩沖器，在飛機起飛、著陸、停放等狀態起著支撐和緩沖作用，能夠吸收飛機的撞擊載荷，可緩解飛機垂直方向和縱向的受載情況。起落架緩沖支柱主要由外筒、活塞桿、輪軸等組成，緩沖支柱的活塞桿（如圖1）在工作時作往復運動，其表面起到耐磨、防銹的作用?；钊麠U加工完成后進行磁粉探傷，發現兩處裂紋顯示?；钊麠U機械加工工藝流程為：機械成形加工→鍍鉻→除氫處理→超精加工（砂袋打磨）→鍍鎘鈦→除氫處理→磁粉探傷[1]。該活塞桿材質為300M鋼。

圖1 活塞桿示意圖

300M（40CrNi2Si2MoVA）鋼是一種新型低合金超高強度合金鋼，具有較高的淬透性、抗回火能力，兼有優良的橫向塑性、斷裂韌度、抗疲勞性能、抗腐蝕性能，在飛機起落架外筒、活塞桿、機體零件、接頭和軸等結構零件上有著廣泛的應用。但該鋼對缺口、應力腐蝕和氫脆性能極其敏感，容易產生疲勞裂紋。隨著飛機服役時間的延長，300M鋼起落架零件在長期受到沖擊載荷，并處于腐蝕環境下，疲勞損傷概率越來越大。

本文對活塞桿裂紋試樣進行了觀察和分析，對裂紋斷口進行宏觀、微觀觀察，并進行顯微硬度測試和金相檢查，明確了起落架活塞桿的裂紋特性，并對裂紋發生機理進行了進一步探討。

1 活塞桿的緩沖性能檢查

作用在緩沖器活塞桿上的力應該平穩地增長，當壓縮行程達到最大值時，緩沖器上的力達到最大值，緩沖器的剛度（曲線的斜率）也應該平穩地增加。

將裝配好的緩沖器安裝至壓力試驗機上進行靜壓曲線試驗，試驗結果如圖2所示。

圖2 緩沖器壓縮曲線示意圖

2 試驗過程與結果

2.1 宏觀檢查

活塞桿進行磁粉探傷時發現靠近端面處可見兩處沿著軸向延展的裂紋顯示，如圖3所示。將裂紋區從活塞桿上切剖，試樣如圖4所示。對裂紋試樣進行觀察，表面鍍鉻層靠近端面處可見一處軸向裂紋，長度約為3 mm，呈曲折延伸狀[2]；試樣表面4/5區域可見密集分布的網狀裂紋，裂紋縱橫交錯，如圖5所示。

圖3 活塞桿磁粉探傷結果

圖4 活塞桿送檢試樣外觀

圖5 活塞桿裂紋形態

2.2 裂紋斷口宏微觀觀察

將軸向裂紋打開，觀察軸向裂紋形貌。裂紋斷面平整，未見明顯塑性變形，裂紋深度約為1.1 mm，裂紋區斷面顏色明顯與人工打斷的顏色不同，裂紋區的斷面顏色呈現金黃氧化色，如圖6所示。

圖6 軸向裂紋斷口形貌

將軸向裂紋斷口在丙酮中超聲波清洗后，使用掃描電子顯微鏡觀察斷口的微觀形貌特征。整個裂紋斷面均可見沿晶+準解理混合斷裂特征，沿晶面可見細小的撕裂棱，為高強結構鋼典型氫脆斷裂特征，如圖7所示。與裂紋區斷面特征完全不同，人工打斷區呈現典型韌窩形態[3]，如圖8所示。

圖7 軸向裂紋斷口微觀形貌

圖8 人工打斷區微觀形貌

2.3 斷口能譜檢測

對軸向裂紋斷口區和人工打斷區進行能譜檢測，與人工打斷區相比，裂紋區可見較多的O元素。裂紋斷口區能譜如圖9所示。人工打斷區能譜如圖10所示。

圖9 裂紋區能譜

圖10 人工打斷區能譜

表1 裂紋區能譜結果

2.4 金相觀察

在軸向裂紋附近垂直于軸向裂紋方向制取截面金相試樣，并制取網狀裂紋截面金相試樣，分別記為1#、2#。將試樣磨制拋光后進行金相檢查[4]。

2.4.1 鍍鉻層厚度測量

活塞桿表面鍍鉻層厚度技術要求為38～64 μm。對1#、2#試樣鍍層厚度進行測量，1#試樣鍍層厚度并不完全均勻一致，測得厚度為35～67 μm，不滿足技術要求；2#試樣鍍層厚度較為均勻，約為32 μm，略低于技術要求的下限，如圖11、圖12所示。

圖11 1#試樣鍍層形態

圖12 2#試樣鍍層及裂紋形態

此外，2#試樣表面鍍層可見較多裂紋，多條裂紋已經穿透鍍層，但并未向基體進一步擴展，這種并未向基體擴展的網狀裂紋是工藝允許的。

2.4.2 組織觀察

1#、2#試樣基體表層未見異常夾雜和其它冶金缺陷，心部與表層的金相組織皆為回火馬氏體，無燒傷等異常情況，如圖13、圖14所示。

圖13 1#試樣金相組織形貌

圖14 2#試樣金相組織形貌

表2 人工打斷區能譜結果

2.5 硬度檢測

對1#、2#試樣進行心部顯微硬度測試，結果如表3所示，各處顯微硬度值較為均勻。

表3 活塞桿顯微硬度測試結果 HV0.5

3 分析與討論

3.1 壓縮曲線分析

如圖2所示，緩沖器試驗曲線比較平滑，載荷隨行程的增大而平緩增大，緩沖器剛度（即曲線的斜率）也平穩增大，符合緩沖器的設計要求。

在起飛、著陸過程中緩沖器的各性能參數均正常，說明緩沖器內活塞桿所受載荷正常，由此推斷活塞桿裂紋與此無關。

3.2 理化分析

結合起落架活塞桿軸向裂紋的樣貌特性分析結果可知，裂紋斷面呈現金黃氧化色，斷口宏觀平整，未見明顯塑性變形，斷口微觀呈沿晶+準解理特征，沿晶面可見細小的撕裂棱，與裂紋區微觀特征不同，人為打斷區呈現典型的韌窩形貌?；钊麠U軸向裂紋性質為氫脆開裂。裂紋首先開裂部位未見冶金、組織缺陷。

軸向裂紋斷面區的顏色為金黃氧化色，表層存在氧元素，表明裂紋形成后又遇到了高溫。結合活塞桿制造的工藝流程分析可知，活塞桿在進行去應力回火前裂紋就已形成[5]。

鋼制構件氫脆問題較為常見，材料強度、氫含量水平是氫脆的關鍵影響因素?；钊麠U材質為300M鋼，該材料為超高強度鋼，對氫脆較敏感。故需要對300M鋼的熱處理過程進行嚴格把關，對吸氫和材質強度進行嚴格控制。

依據活塞桿裂紋區附近取樣并進行室溫拉伸的試驗結果看，測得的抗拉強度平均值為1983 MPa，略高于技術要求（1960 MPa±100 MPa）的中線。

另外，在基體表層取樣進行氫含量測試，測得的平均結果為1.3×10-6。依據活塞桿的生產工藝路線卡，活塞桿進行兩次除氫處理，目前測得試驗數據為最后一次除氫處理后的結果，而活塞桿軸向裂紋產生于最后一次除氫處理前，由此推斷鍍鉻或鍍鉻后的除氫處理工藝過程處理不當。

4 結論

本文通過檢測和分析確定活塞桿軸向裂紋性質為氫脆開裂，推斷是鍍鉻或鍍鉻后的除氫處理工藝過程處理不當導致的，并提出嚴格控制鍍鉻或鍍鉻后的除氫處理工藝過程的要求。