某型飞机起落架的连接螺栓断裂失效分析

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3、．_万方数据某型飞机起落架的连接螺栓断裂失效分析徐志刚。李权。陈荣。王洪伟，傅国如(北京航空工程技术研究中心．北京100076)l_太孓摘要娅用扫描电镜、光学显微镜和硬度等检测手段，对连接螺栓断裂原因进行了探讨。结果表明，由于装配在螺栓上的球形衬套的强度严重不足，造成了螺栓受力不均匀，导致螺栓大应力疲劳失效。)关键词：连接螺栓；球形衬套；强度；大应力疲劳中图分类号：V226文巅标识码：A文章编号：100l一4012(2005)增刊某型飞机的连接螺栓四件在大修出厂后使用不久相继发生断裂或裂纹(其中2件断裂，2件裂纹)，该连

4、接螺栓用于主起落架转动拉杆与摇臂的连接。断裂(或裂纹)螺栓及装配在螺栓上的球形衬套均为同一批次生产的零件(螺栓和球形衬套均由30CrMnSiA钢制造)，为找出螺栓断裂的原因，应用扫描电镜、光学显微镜和硬度等检测手段对此进行了分析。1理化检验1．1外观及断口检查送检的两件螺栓(1件已断裂，1件有裂纹)，均有较大的弯曲变形，在发生断裂或裂纹处变形最大，断裂螺栓见图1。有裂纹的螺栓和已变形的球形衬套见图2，图中球形衬套的圆形口已变为椭圆形口。螺栓断口见图3，断口形貌比较接近静拉伸断裂断由于柴油机所用燃油含硫(约0．2～O．5％)及其它杂质(钠、钙和

5、钒等)，燃烧过程中形成SO。、SO。、Na20、CaO、V。O。等氧化物，以及柴油燃烧不完全而残留的碳粒子形成燃灰盐类沉积物，沉积于零件工作表面。这些低熔点共晶熔盐破坏了表面氧化层，加速腐蚀。共存的硫酸盐化合物，不仅是氧的载体，也是形成渗碳现象的原因。从金属方面看钒腐蚀，凝结在金属表面的钒化合物，不断搬入气氛中的氧，使金属氧化，生成的氧化物被熔融盐破坏，成为多孑L质，失去保护膜的作用。阀头底部处于燃烧室内，高温爆燃的油气对阀头底部产生腐蚀。该柴油机所用燃油的硫含量、残碳、密度很高，所以其腐蚀性更大。通过对阀头底部断口腐蚀产物进行能谱分析，结果

6、腐蚀产物中含有钒和硫的化合物，表明阀头的底部发生腐蚀，宏观可见许多腐蚀坑。这些腐蚀坑成为疲劳裂纹源，从宏观断口观察，可见在阀头底部的断口上有许多疲劳台阶，整个断面表现为锯齿状。这是不耐蚀材料的典型疲劳断口形貌。化学分析表明该进气阀为一般中碳钢，硬度检测基体的硬度很低，所以其腐蚀疲劳裂纹应为沿晶扩展。金相检验阀头底部的裂纹扩展方向确为沿晶开裂，图9所示。硬度检测发现阀头底部硬度偏高，是阀头底部在高温燃气中由于硫酸盐和钒化物作用，导致表面增碳，增碳层深度约为0．3ram。4结论(1)根据化学分析知该阀的材质为中碳钢，而中碳钢耐热疲劳和腐蚀疲劳的性

7、能较差。(2)进气阀在柴油机工作过程中存在较大的温度梯度及较大的交变热应力，当温度发生变化时，材料热胀冷缩，当循环应力超过材料的屈服强度时，导致零件产生热疲劳开裂。(3)阀头底部处于燃烧室内，高温爆燃的油气对阀头底部产生腐蚀。阀头底部开裂原因为腐蚀疲劳开裂。(4)裂纹起源于阀头应力最大处。感谢陈运远教授在本项目研究中给予的帮助!参考文献：[1]王荣．金属材料的腐蚀疲劳[M]．西安：西北工业大学。2001．·419·万方数据口。整个断口高低不平，中间部位为平断口，断面与主应力轴方向垂直，其上有明显的放射花样并汇集到外表面。断口的其余部分是斜断口

8、，断面与主应力轴成45。角。斜断口在整个断口中所占比例较大。在断口附近还有多条平行裂纹(见图4)。有裂纹的螺栓在其变形最大部位也有数条平行裂纹。对断口宏观和微观观察，平断口上有数条疲劳弧线(见图5)，疲劳弧线间是韧窝带特征(见图6)，这是大应力超低周疲劳的微观表征。放射花样的汇集处是疲图4断口附近的多条平行裂纹劳源区，它位于螺栓弯曲变形处，呈线状源(见图7)，源区大部分形貌已被擦伤，无法看到原始形貌。但在局部区域还是能看出疲劳起源于螺栓外表面(见图8)，在断口下还有平行断口的小裂纹。斜断口区域是剪切唇区，是断裂过程的最后阶段，微观特征是剪切韧

9、窝。·420·图1断裂螺栓图2裂纹螺栓和球形衬套图3螺栓的宏观断口形貌图5平断口上的宏观疲劳弧线图6疲劳弧线间的韧窝带1．2螺栓及球形衬套的硬度检查沿螺栓断口横切，在切口表面测定洛氏硬度，硬度值为40．2～40．6HRC。根据工厂提供的螺栓图纸，螺栓热处理规范要求其拉伸强度crb=儿o～130kg／mm2(1078～1274MPa)。由测定硬度值换算成强度值为1234．8～1254．4MPa，符合技术要求。对球形衬套进行硬度测定，显微硬度值分别为255、267、274、274和276HV，平均值为269HV，换算成洛氏硬度值为27HRC，远远

10、低于技术条件要求(图纸要求拉伸强度crb=120"--140kg／mm2，换算成洛氏硬度应为38．2～43．2HRC)，球形衬套的硬度值不合格，反映出其强度值低于技