前情提要

    在飛機(jī)定檢過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)飛機(jī)副翼前段部位出現(xiàn)了裂紋失效問(wèn)題。由于該部位是飛機(jī)的重要零部件，會(huì)對(duì)飛機(jī)的安全造成影響，并且服役時(shí)間并未達(dá)到規(guī)定的使用壽命，所以我們對(duì)失效原因進(jìn)行了探索，以期為預(yù)防同類(lèi)部位出現(xiàn)類(lèi)似腐蝕提供技術(shù)參考。

    失效零部件小檔案：

    圖1 飛機(jī)副翼形貌

    材占位料：30CrMnSiA鋼

    腐蝕部位：副翼前端

    主要作用：承受交變載荷作用

    檢測(cè)環(huán)節(jié)

    Step 1化學(xué)成分檢測(cè)

    表1  化學(xué)成分分析

    由表1可知，化學(xué)成分符合設(shè)計(jì)技術(shù)條件要求。

    Step 2 斷口宏觀觀察

    沿裂紋擴(kuò)展方向打開(kāi)斷口，斷口整體形貌較平坦，顏色呈紅褐色銹跡。觀察裂紋源區(qū)形貌，在裂紋擴(kuò)展的尾端可見(jiàn)明顯的擴(kuò)展線（圖2a），源區(qū)斷口平坦（圖2b）。

    （a） 裂紋擴(kuò)展區(qū)宏觀形貌

    （b） 裂紋源區(qū)宏觀形貌

    圖2 斷口宏觀形貌

    Step 3 斷口顯微觀察

    （a） 斷口疲勞條帶狀形貌

    （b） 源區(qū)貝殼狀形貌形貌

    （c） 遠(yuǎn)離斷口處人工打斷斷口形貌

    將鋼構(gòu)件沿裂紋打斷，經(jīng)超聲洗滌后放入掃描電鏡下進(jìn)行觀察，斷口全貌均被腐蝕產(chǎn)物所覆蓋，原始形貌不可分辨，對(duì)斷口腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析可知，腐蝕產(chǎn)物含有氧化物。兩斷口均沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的冶金缺陷和熱加工缺陷，也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的人工加工痕跡。

    Step 4 斷口金相觀察

    （a） 斷口心部組織

    （b）斷口表層組織
    圖4  金相觀察

    心部組織為回火索氏體結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖4（a），平均硬度值為35.35HRC。表層組織發(fā)生了脫碳現(xiàn)象，脫碳層深度約為0.08mm，見(jiàn)圖4（b），平均硬度值為23.87HRC。

    綜合分析

    Step 1 應(yīng)力有限元分析

    針對(duì)出現(xiàn)裂紋的r處可以運(yùn)用Partran軟件進(jìn)行有限元應(yīng)力分析。首先模擬其實(shí)際服役期間的邊際條件，將鋼構(gòu)件的兩端和A邊進(jìn)行固定，B邊承受外界的交變載荷。其次將整個(gè)鋼構(gòu)件進(jìn)行網(wǎng)格分割，最后根據(jù)實(shí)際所承受的循環(huán)載荷進(jìn)行模擬可知，整個(gè)循環(huán)過(guò)程中，鋼構(gòu)件各處的受載均小于其屈服強(qiáng)度（σb≥1175MPa），應(yīng)力波谷段的最大載荷值為1.02MPa，波峰載荷段最大載荷值為4.24MPa，進(jìn)一步分析可知，應(yīng)力主要集中在板彎處區(qū)域和B邊。因此該裂紋并非是外加應(yīng)力過(guò)高誘發(fā)的，裂紋處起源于載荷集中區(qū)域。

    （a） 應(yīng)力波峰載荷譜

    （b） 應(yīng)力波谷載荷譜

    圖5  應(yīng)力有限元分析載荷譜

    Step 2失效原因分析

    由上述分析可知，鋼構(gòu)件的化學(xué)成分符合相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這說(shuō)明鋼構(gòu)件的斷裂與材質(zhì)無(wú)關(guān)。而有限元應(yīng)力分析結(jié)果也顯示整個(gè)服役期間鋼構(gòu)件的載荷并非是是裂紋的主要原因。而其斷口形貌呈現(xiàn)明顯的疲勞條帶狀且有腐蝕產(chǎn)物，其源區(qū)的貝殼狀形貌則顯示鋼構(gòu)件在失效前經(jīng)歷了緩慢的裂紋形成和擴(kuò)展過(guò)程，這說(shuō)明該部件裂紋的性質(zhì)為疲勞腐蝕裂紋。在金相組織觀察過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn)鋼表層組織出現(xiàn)了脫碳現(xiàn)象，這說(shuō)明鋼件的熱處理不當(dāng)是裂紋萌生的主要原因。

    該鋼構(gòu)件在電阻爐內(nèi)經(jīng)歷調(diào)質(zhì)過(guò)程中，一方面組織中的碳在高溫情況下不斷擴(kuò)散，擴(kuò)散過(guò)程中與爐內(nèi)的氣氛中的CO2、H2O和O2等氧化氣體優(yōu)先發(fā)生氧化反應(yīng)，造成表面滲碳體含量下降，鐵素體的含量增加，直接影響了表面組織強(qiáng)度；另一方面，由于表面組織和心部組織的成分不同，兩部分的線膨脹系數(shù)也有所差異，因而在淬火降溫過(guò)程中，兩者的體積收縮程度的不一致就會(huì)造成界面內(nèi)應(yīng)力集中，使其疲勞性能下降，同時(shí)變形量的不同也會(huì)造成表面產(chǎn)生許多細(xì)微裂紋。此外，由于碳含量的不斷減少使得調(diào)質(zhì)階段馬氏體相變反應(yīng)無(wú)法充分進(jìn)行，最終直接影響到了鋼構(gòu)件的屈服強(qiáng)度。

    同時(shí)在顯微相貌觀察中并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)該鋼構(gòu)件進(jìn)行了任何表面處理，因而該鋼構(gòu)件極易在與周邊零部件相互作用下形成磨損凹坑，造成金相組織表面形貌粗糙。此外，該部件又位于結(jié)構(gòu)邊緣，夾雜灰塵的冷凝水就會(huì)附著在其表面凹坑處和調(diào)質(zhì)過(guò)程形成的細(xì)微裂紋處，這就迫使脫碳反應(yīng)中產(chǎn)生的鐵素體直接與腐蝕液接觸，從而發(fā)生電化學(xué)氧化反應(yīng)生成鐵銹等氧化物。其次腐蝕區(qū)域在內(nèi)應(yīng)力的作用下也會(huì)緩慢形成和擴(kuò)展從而誘發(fā)早期疲勞腐蝕裂紋，形成貝殼狀形貌。最后源區(qū)裂紋在長(zhǎng)期交變應(yīng)力的作用下就會(huì)繼續(xù)擴(kuò)展進(jìn)入瞬斷區(qū)造成鋼構(gòu)件的裂紋失效。

    因此調(diào)質(zhì)過(guò)程不當(dāng)是裂紋產(chǎn)生的內(nèi)在原因，而服役環(huán)境中附著的冷凝水及交變應(yīng)力則是裂紋擴(kuò)展的主要原因。所以對(duì)于調(diào)質(zhì)過(guò)程，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制爐內(nèi)氣氛，保持還原性氣體與氧化性氣體的濃度比例，并適當(dāng)充入一定的惰性氣體進(jìn)行保護(hù)，同時(shí)控制保溫時(shí)間和調(diào)質(zhì)溫度，降低脫碳反應(yīng)速率。同時(shí)在調(diào)質(zhì)過(guò)程前對(duì)鋼構(gòu)件進(jìn)行表面處理以隔絕爐內(nèi)氣氛和鋼構(gòu)件以避免脫碳現(xiàn)象。

    結(jié)論與建議

    1） 副翼前端鋼構(gòu)件的裂紋應(yīng)為疲勞腐蝕裂紋，表層組織脫碳是主要原因；

    2） 嚴(yán)格控制調(diào)制過(guò)程的條件，建議適當(dāng)充入還原性氣體或者惰性氣體以避免脫碳現(xiàn)象的出現(xiàn)；

    3） 建議鋼構(gòu)件進(jìn)行必要的表面處理，以隔絕爐內(nèi)氧化氣體和游離碳，并在調(diào)制后增涂防護(hù)漆層以增強(qiáng)防護(hù)性能。

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責(zé)任編輯：王元

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