起落架缓冲器上支臂支座断裂分析

侯卫国，袁 春，潘登科，王 超

（工业和信息化部电子第五研究所 芜湖实验室，安徽 芜湖 241002）

0 引言

飞机着陆、起飞和地面移动过程中，起落架处于垂直载荷、水平载荷和侧向载荷等复杂的应力环境[1-3]。起落架缓冲器上支臂作为起落架的关键承力件，连接着机身与缓冲器支柱，上支臂通过支座内插轴与飞机连接[4]。飞机在开展主起落架缓冲器疲劳试验过程中，当进行到约8 600 次起落时，缓冲器上支臂支座断裂[5]。支臂支座示意图如图1 所示，广泛应用于起落架连接结构中，国内外相关文献很少涉及此类的失效现象。为了探究该支座的断裂模式、失效机理和改进措施，本研究通过宏、微观观察分析和各性能测试，开展失效分析。

支座材质为30CrMnSiNi2A，采用锻造生产，工艺过程为：机械粗加工→热处理（淬火+低温回火800～900 ℃，油淬250 ℃回火）→精加工→内外表面喷丸处理→表面处理→检验。其中，外表面喷丸强度为0.25～0.30 A，内表面喷丸强度为0.18～0.25 A；产品热处理强度σb为(1 665±100) Pa；表面处理为D.CdTi18-25.DCH[6]。

1 试验过程与结果

1.1 断口宏观观察

上臂支座呈管状结构，管中心沿最大孔径横向通过侧孔与另一构件固定。断裂沿纵向中心孔和横向侧孔最大孔径截面发生，断口宏观形貌如图2 所示，由A、B、C、D 区域组成。通过宏观观察，在区域A、B 断口上可见明显的疲劳断裂[7]特征。

图2 断口宏观形貌Fig.2 Macro morphology of fracture surface

断裂件中心孔内壁清晰可见2个不同形貌区域：断口C、D 区域一端，为与插轴配合呈现摩擦形成金属光泽区域，呈现明显的金属接触摩擦特征；断口A、B 区域一端，内部表面有黑色覆盖物。因零件间隙配合、转动摩擦，2个区域有明显的分界。

断口区域A 低倍下可见裂纹扩展过程，断面上呈现出裂纹源区、扩展区和瞬断区3个区域，如图3 所示。裂纹萌生于位于中心孔内壁管口部，在交变应力的作用下，裂纹缓慢由内向外扩展，断面上可见清晰的疲劳弧线[8]，形成较大的裂纹扩展区。裂纹通过扩展区后，构件快速断裂，断口区域A 靠近侧孔和外壁区域形成瞬断区，呈现出剪切唇断裂特征[9]。

图3 断口区域A 疲劳弧线Fig.3 Macro morphology of fracture area A

观察断口区域B，断面形貌特征与区域A 相似，裂纹萌生于中心孔内壁管口部，向外扩展形成疲劳裂纹扩展区，在靠侧孔和外壁区域快速断裂。断口区域C、D 未见明显的裂纹源区，可见裂纹扩展区和瞬断区。从裂纹的扩展特征分析，断口区域C、D 为裂纹扩展越过侧孔后的瞬断区。

1.2 断口微观观察

将断口清洗后在扫描电镜下对区域A 进行观察。断面上清晰可见多个裂纹合并的台阶和类似白色覆盖物，裂纹源为线源[10]（图4）。对源区含有白色覆盖物区域放大后观察，不是此类材料的典型断裂特征，但仍可以判定是属于沿晶断口形貌[11]（图5）。在扩展区观察无白色覆盖物区域，断面上可见疲劳弧线，呈现准解理和韧窝断裂特征[12]（图6）。瞬断区剪切唇大部分区域为韧性窝形貌，是典型的韧断裂。

图4 裂纹源区线源特征Fig.4 Line source feature of crack source region

图5 裂纹源区覆盖物及沿晶断裂特征Fig.5 Covering and intergranular fracture at crack source region

图6 扩展区准解理和韧窝断裂特征Fig.6 Quasi-cleavage and dimple fracture at extension region

1.3 金相观察

在断口上取样制作金相试样，试样用4%（质量分数）硝酸酒精溶液浸蚀，支座材质的金相组织如图7 所示，为典型马氏体特征，组织未见明显异常。

1.4 断口能谱分析

在断口裂纹源区分别选择白色覆盖物区Ⅰ和非白色覆盖物区Ⅱ进行能谱分析，并与无白色覆盖物区域Ⅲ进行对比测试，结果见表1。结果表明：裂纹源区白色覆盖物主要成分为C、O、Fe、Zn、Si、S、Cd，其中Cd 的含量较高，达到51.30%；裂纹源区非白色覆盖物主要成分为C、O、Fe、Zn、Si、Cd，其中Cd 的含量为16.01%；扩展区域主要成分为C、O、Fe、Si，为该构件使用材质中正常成分[6]。

图7 支座金相组织Fig.7 Metallographic morphology

表1 裂纹源区能谱分析结果(质量分数/%)Table 1 The results of energy spectrum analysis for each region of crack source region (mass fraction/%)

1.5 材料成分分析

材料成分分析结果如表2 所示，经分析并与材料相关标准[6]比较，其化学成分符合标准要求。

表2 材料成分分析结果Table 2 Chemical composition analysis results of materials

1.6 材料硬度检测

采用洛氏硬度计对金相试样进行硬度测试并换算其强度，结果如表3 所示。检测结果符合标准要求。

2 分析与讨论

根据断口的宏微观形貌特征，断口为疲劳断裂特征。缓冲器在试验过程中，在交变应力的作用下，裂纹萌生于支座中心孔管口内壁两侧，裂纹源为线源，呈现沿晶断裂特征，形成不同的裂纹扩展台阶。在裂纹扩展阶段，可见清晰的疲劳断裂弧线，在断面上呈现较大的裂纹扩展区。裂纹经充分扩展后，从中心孔两侧分别越过侧孔，沿外壁向上快速断裂形成瞬断区，断口四个区域瞬断区均包含面积较大的剪切唇。

表3 材料硬度测试结果Table 3 Hardness test results of materials

根据构件材料的硬度、成分分析和金相组织观察，其硬度和化学成分均为正常，材料组织未见明显异常，裂纹边缘无脱碳现象。由此可知，支座在加工过程中未产生不符合规定的缺陷，断裂原因与基体材料和淬火工艺无关。

支座的断口形貌是疲劳断口，从裂纹源区覆盖物能谱分析可知，在断口覆盖物中含有较高的Cd 元素成分，含量达到51.30%。大量Cd 元素存在于裂纹源区，结合沿晶断裂特征，失效模式应为镉脆，在裂纹源区存在低熔点金属而致脆，形成裂纹源。

根据该支臂的生产工艺，采用了电镀镉的表面处理工艺。电镀镉是一种机械产品常用的电镀工艺，由于镀镉在海洋性气候的防腐蚀性能优良，故在航空领域大量使用镀镉处理[13]。但Cd 是一种低熔点金属，可与Fe 生成更低熔点的共晶体，故在工作温度高时会在钢铁材料的晶界和Fe 形成Fe-Cd 共晶，并沿着晶界渗入基体，损害基体结构连续性。导致材料沿晶界出现缺陷，这是镀镉会造成的风险。该支臂在工艺上采用电镀镉钛，是一种取代含氰电镀的先进镀镉工艺。但支臂在工作中通过中心孔和侧孔与其它构件有配合关系。从断口中心孔内壁，清晰可见支臂与其他构件形成摩擦形貌，在持续的试验过程中，由于支座与其他构件反复相互作用，在摩擦部位出现高温环境，Cd 元素渗入基体产生低熔点金属致脆。

3 结论与建议

1）该起落架缓冲器上支臂支座为疲劳断裂，失效模式为隔脆。

2）断裂的原因为：在交变应力的作用下，中心孔内壁管口部形成局部高温环境，镀层Cd 元素在高温和应力的作用下和基体中的Fe 形成共晶，沿基体晶界渗入基体，在基体晶界上形成低熔点共晶体。致使零件在此形成缺陷。在交变应力的作用下开裂，形成疲劳源。在应力作用下，裂纹在有镉共晶的条件下扩展，形成镉脆。

3）该构件的材料符合标准要求，零件热处理工艺正确，强度、硬度满足要求，与断裂失效无关。建议调整该支臂的表面处理工艺，配合面不宜采用镀镉工艺，可采用镀锌等工艺或采用其它防腐蚀能力较强的超高强度钢。