开口销断裂分析

2018-09-19卜嘉利高志坤韩振宇佟文伟

失效分析与预防 2018年4期

卜嘉利，高志坤，韩振宇，佟文伟

(中国航发沈阳发动机研究所，沈阳 110015)

0 引言

开口销是一类重要的紧固件，在航空发动机固定销轴上应用十分广泛[1-3]。开口销的主要功能是防止固定销轴脱落，其工作状态的稳定性直接影响发动机的可靠性和使用性能，一旦开口销发生失效，会使固定销轴脱落，导致整个发动机出现故障，影响发动机的正常工作并带来巨大的经济损失；因此，对固定销轴上的开口销故障进行深入的研究十分必要。故障开口销材料为1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢，该类不锈钢具有高韧性、高塑性、工艺性优异等特点[4-8]。

发动机在工作19 h后分解检查，发现顺航向左侧α1作动筒与支架固定销轴上的开口销发生断裂故障。由于发动机上的开口销是新装配上的且在较短服役时间内发生断裂，因此对故障开口销进行失效模式及机理研究。

1 试验过程与结果

1.1 宏观检查

故障开口销宏观形貌见图1，由图可见，开口销表面磨损较重，局部区域有较重的划痕，分开部位两端存在高低差。

对故障开口销附近的安装零部件进行观察可见，与开口销接触的作动筒支架侧表面有周向的磨痕(图2)，说明在试车过程中，开口销随作动筒支架固定销轴发生转动。开口销随作动筒支架固定销轴发生转动时，支架侧表面会对开口销回弯处表面产生弯曲应力。

图1 故障开口销宏观形貌Fig.1 Macroscopic appearance of the fault split pin

图2 作动筒支架侧表面的磨痕Fig.2 Grinding on the side surface of the actuating cylinder bracket

1.2 断口分析

故障开口销断口宏观形貌见图3，由图可知：断口表面高差较大，呈金属光泽，磨损较重，局部有塑性变形现象；可见明显的疲劳弧线和放射棱线特征，表明该断口的性质为疲劳。根据疲劳弧线和放射棱线的方向判断，疲劳起源于开口销内弧侧表面区域(图3中红色虚线)。

图3 断口宏观形貌Fig.3 Macroscopic appearance of the fracture

断口微观形貌见图4。源区可见清晰的疲劳弧线及放射棱线特征，根据放射棱线的方向判断，疲劳起源于故障开口销内弧侧表面，源区未见明显的冶金缺陷(图4a)。对疲劳扩展区进行高倍观察，可见疲劳条带形貌(图4b)，可进一步表明断口性质为疲劳断裂。

1.3 表面检查

断口源区附近表面微观形貌如图5所示，可见有明显的磨损变形现象，且源区附近表面的磨损区与远离源区的未磨损区之间有明显的分界线。

图5 断口源区侧表面微观形貌Fig.5 Microscopic magnification of the source sidesurface of the fracture

故障开口销只有一侧发生断裂，对没有发生断裂侧开口销回弯处外弧表面和内弧表面进行观察，可见内弧和外弧表面都有不同程度的塑性变形，内弧和外弧表面都呈褶皱特征(图6)。

图6 故障开口销回弯处外弧表面微观形貌Fig.6 Microscopic appearance of outer arc surface ofthe fault split pin bending area

1.4 材料组织与性能检查

对故障开口销进行能谱分析，故障开口销基体主要合金元素含量符合1Cr18Ni9Ti不锈钢的标准要求。

故障开口销组织形貌见图7a，为铁素体和珠光体组织，可知其没有进行固溶处理或固溶处理不到位。对故障开口销进行固溶处理后的组织形貌如图7b所示，为奥氏体组织。

故障开口销基体取样后进行硬度检查，硬度值偏高(HV 217～235)，不符合标准(HV≤200)的要求。

1.5 有限元分析

本研究使用Abaqus模拟仿真软件对开口销回弯部位的受力情况进行模拟计算。开口销有限元模型见图8。回弯处是发生故障的部位，因此对该处进行网格细化处理。仿真中采用的单元类型为C3D8R(六面体线性缩减积分单元)，其优点是：应力计算结果准确，适于模拟存在应力集中的实际问题；在弯曲载荷下不易发生剪切自锁情况；对位移求解计算结果较精确。模拟中限定了开口销X轴(1 mm)、Y轴(0 mm)和Z轴(1 mm)方向的位移。在开口销回弯处表面施加100 MPa的压强模拟固定销轴旋转时回弯处表面产生的弯曲应力。开口销材料力学性能值为：ρ=7.9 g/cm3，E=184 GPa，σb=540 MPa，μ=0.3。