起落架支柱摇臂耳片断裂原因分析及改进

李 博，肖 文，文 庚

(中航飞机起落架有限责任公司，陕西 城固 723200)

随着航空工业发展，高机动性、大载量型飞机研发制造，高强度钢、超高强度钢在航空制造业中得到广泛应用。40CrNi2Si2MoVA钢以其强度高、横向塑性高、断裂韧性高、疲劳性能优良及抗腐蚀性能好等优点，被广泛应用于航空航天领域，通常用于起落架等承力部件[1-3]。但由于飞机服役环境复杂多变，承力部件往往会承受交变应力的影响遭到破坏，其结构力学性能也会随之下降，长时间服役后便会诱发疲劳腐蚀裂纹，为飞机的飞行安全埋下严重隐患[4]。某飞机飞行后检查发现左主起落架支柱摇臂双耳片断裂。支柱摇臂材料为40CrNi2Si2MoVA(300M)钢，主要制造工艺流程：数控铣(粗加工零件外形)→数控铣(加工支臂外形及支臂内槽，粗加工支臂孔和止动台)→钳工(抛光)→总检→热处理(870 ℃，油淬+300 ℃，空冷，回火2次)→数控镗(铣支臂止动台及精加工支臂孔)→磨工→低温回火→数控铣(关键工序)→钳工→总检→酸蚀检查→磁粉探伤→喷丸→镀铬→磨工→低温回火→总检→低氢脆镀镉→磁粉探伤。支柱摇臂经过热处理后抗拉强度值达到了设计要求，且在经过镀铬、低氢脆镀镉后未发现表面存在裂纹。本文对断裂耳片进行了外观检查，对断裂面进行了宏观、微观分析，检查了耳片的金相组织、硬度，分析确定了断裂性质及原因，并提出了改进及优化措施。

1 试验过程与结果

1.1 宏观观察

主起收放作动筒部分结构如图1所示，主起收放作动筒为双耳片结构，图示位置为此次故障耳片失效位置，即内、外耳片在两耳片之间的槽底转接处发生断裂，槽底转接处设计要求为R2±0.5 mm。内、外耳片断裂位置一致，均在两耳片之间的槽底转接处发生断裂，源区均位于耳片内侧槽底转接处上部棱角处，耳片内侧均存在一处圆周划痕，耳片孔附近存在漆层不完整情况(见图2)。

图1 支柱摇臂耳片外观示意图

图2 断裂耳片整体形貌

内侧耳片断口平坦，源区为线源，扩展棱线较粗大、明显，源区附近断面可见明显疲劳弧线，断口四周可见剪切唇，源区侧面被漆层包裹，未见明显异常痕迹(见图3)。外侧耳片断口特征与内侧耳片断口类似，不再赘述。

a)源区形貌

1.2 微观观察

将断口超声清洗后，在JSM-5600LV扫描电镜下进行微观观察。内侧耳片断口低倍形貌可见疲劳弧线特征；断裂起始于表面，为线源，约长4 mm，源区未见冶金缺陷；扩展区可见明显疲劳条带特征，扩展长度约1.7 mm的不规则扇形区域，基本为疲劳弧线范围以内；扩展区边缘与瞬断区交界处为疲劳条带和韧窝形貌；疲劳弧线以外均为韧窝断裂特征；源区侧面存在磨损，未见明显加工刀痕等特征(见图4)。外侧耳片断口微观特征与内侧耳片断口类似，不再赘述，其中源区长约3.5 mm，扩展区长约1.2 mm的不规则扇形区域，比内侧耳片疲劳扩展区面积小。

a)源区形貌

1.3 金相组织观察

切取内、外耳片截面制备各金相试样，磨抛腐蚀后进行金相组织检查。内、外耳片基体组织均为回火马氏体组织，组织未见明显异常。

1.4 R角尺寸测量

对内、外耳片里侧槽底转接处转角进行测量，可以看出内耳片转角直径约3.27 mm，即R1.63 mm。处于设计要求下限(设计要求为R2±0.5 mm)，且圆角过渡处不圆滑。外耳片R角直径约为3.29 mm，即R1.64 mm。处于设计要求下限(设计要求为R2±0.5 mm)，圆角过渡处相对较圆滑。

1.5 硬度检测

对内、外耳片硬度进行维氏硬度检测，按照GB/T 1172—1999转化为洛氏硬度，可见内、外耳片硬度一致，均为54.5 HRC，满足技术指标要求(见表1)。

表1 硬度检测结果

2 分析与讨论

左主起落架支柱摇臂双耳片断裂断口宏观可见明显疲劳弧线，微观可见明显的疲劳条带，说明左主起落架支柱摇臂双耳片断裂性质均为疲劳断裂[5]。通过断口疲劳扩展区长度对比可知，内耳片的疲劳扩展区长度约为1.7 mm，外耳片的疲劳扩展区长度约为1.2 mm，通过疲劳扩展区长度可知，内耳片首先发生疲劳开裂。内、外耳片均线性起源于双耳片内侧槽底转接处前侧棱角处，源区及源区侧面均未见冶金和加工缺陷。R角尺寸测量结果表明，内、外耳片里侧槽底转接处R角均处于设计要求下限，R角尺寸过小，存在一定的应力集中效应，对于300M钢这类高强度钢来说，本身的缺口敏感性较大，应力集中效应大，在循环载荷作用下容易发生疲劳断裂[6]，其中内耳片转角边缘过渡不良，会进一步促进应力集中程度，从而引起内耳片先发生疲劳开裂。

断口观察结果显示，内、外耳片断口疲劳区占整个断面面积均较小，疲劳扩展区扩展棱线较粗大，说明耳片的工作应力较大，对耳片发生疲劳开裂也存在影响。耳片内侧表面不均匀的圆周磨痕说明耳片受到异常外力，对疲劳开裂起促进作用。另外，内、外耳片组织均为回火马氏体组织，组织未见明显异常，硬度均满足技术指标，说明材料与耳片疲劳断裂无关。

综上所述，双耳片疲劳断裂的原因主要与受到较大应力水平及R角圆角加工质量有关。

3 结语

通过上述研究可以得出如下结论。

1)左主起落架支柱摇臂双耳片断裂性质为疲劳断裂。

2)双耳片疲劳断裂的原因主要与受到较大应力水平及R角圆角加工质量有关。

3)由于R角圆角尺寸较小会提高应力集中程度，建议对R角位置受力情况进行计算，进一步优化R角尺寸设计。

4)建议进一步提高倒角、倒圆表面加工精度，避免刀痕、划痕等缺陷。