飞机关节轴承内圈裂纹分析

2019-04-22欧阳康

装备制造技术 2019年1期

王珊，黄超，欧阳康

（国营芜湖机械厂，安徽芜湖 241007）

0 概述

飞机机体用关节轴承要求承载能力高，具有一定的调心能力，其运动方式多为摆动或偏摆，速率低，需要定期润滑，主要应用于飞机舱门、起落架、方向舵、升降舵、襟翼、缝翼、扰流板、安定面、发动机吊挂、操纵系统等部位[1]。其失效后将导致飞机上重要传动部件故障，严重时可影响飞行安全。国内目前已有对于其相关失效模式的研究[2]和典型案例的相关分析[3-5]，但相关文献分析未对过程开展详细探讨。

地面装配前检查，发现有一关节轴承裂纹，杠杆机构非常紧涩、卡滞。轴承为标准件，工作中受34.3 N推拉力，工作环境为空气。通过对关节轴承裂纹进行了外观观察、体视检查、微观观察、能谱分析，金相检查、硬度测试，确定了轴承裂纹的断裂性质。

1 试验过程与结果

1.1 外观观察

由图1（a）可见，轴承为关节轴承，工作过程中为内圈在轴承外圈中转动以起到万向转动的作用。轴承的断裂位置为轴承内圈小孔处，裂纹上下贯通穿过小孔，见图 1（b）。

图1 断裂轴承裂纹外观

1.2 体视检查

使用体视显微镜对裂纹处进行观察，由图2（a）、（b）可见，轴承内圈正面和端面都可见裂纹贯穿，说明该裂纹已整体裂穿。对比图 2（a）、（c）、（d），可见断裂小孔旁无工作过程中正常摩擦所产生的形貌，而另一侧小孔处与完好轴承内圈的表面均有工作中正常摩擦形成的痕迹。

图2 轴承内圈裂纹外观形貌

通过机械方法将轴承内圈裂纹打开，打开后的断口表面呈黑灰色，表面存在明显污染，断口较平整，未发现疲劳弧线、人字纹等其它断裂特征，见图3。

图3 轴承内圈断口体视形貌

1.3 微观观察

使用场发射扫描电子显微镜对轴承内圈断口表面进行观察，低倍下可见断口由于污染存在白色的不导电物质，边缘处可见有碎屑进入受压后覆盖在断口表面，具体见图4。

图4 轴承内圈断口微观形貌

对断口使用丙酮进行超声波清洗后，再次放入场发射扫描电子显微镜中观察，首先观察小孔旁一侧断面，低倍断口较平整，放大后可见断口左右、上下处均为韧窝形貌，并且可见少量晶面开裂形貌，韧窝处可见大量析出相质点，见图5。

图5 轴承内圈清洗后小孔一侧断口微观形貌

继续观察小孔旁另一侧断面，同前面观察的一致，低倍断口较平整，放大后可见断口左右、上下处均为韧窝形貌，并且可见少量晶面开裂形貌，韧窝处可见大量析出相质点，上侧边缘处可见碎屑受压覆盖在断口表面，见图6。

图6 轴承内圈清洗后小孔另一侧断口微观形貌

1.4 能谱分析

使用能谱仪对未清洗断口的元素分布情况和基体进行分析，结果见表1。可见断口污染物主要为含C、O的有机物和含Si的无机污染物组成，基体金属元素为Fe、Cr且Cr含量较高，可见判定该轴承为高铬的不锈钢。

表1 能谱分析结果（wt%）

1.5 金相检查

在断裂轴承内圈截取部分试样后，经镶嵌、磨制、抛光后，使用氯化高铁盐酸水溶液浸蚀后使用金相显微镜进行观察。由图7可见，轴承内圈组织为马氏体+弥散析出的碳化铬，部分碳化铬形态较大，这可能与该材料含铬量较高有关。

图7 轴承内圈金相组织

1.6 硬度测试

对轴承内圈的金相试样进行维氏硬度试验，试验结果见表2，使用GB/T 1172-1999换算的洛氏硬度值HRC为62，符合一般高铬耐磨不锈钢的硬度要求。

表2 维氏硬度检测结果

2 分析与讨论

由宏观观察到的工作摩擦痕迹差异、断口污染情况以及清洗后微观观察到的韧窝形貌可以推断该轴承内圈断裂是早期发生的过载断裂。

从金相组织和硬度符合高铬耐磨不锈钢的一般特征来看，该关节轴承不存在明显的材料缺陷与冶金问题。体视观察到的断裂处工作面磨擦形貌区别于非断裂处与完好轴承，可以推断该处早期可能就已经发生断裂，并伴随有一定程度的塑性变形导致裂纹处工作面无摩擦形貌。并且从断口表面的污染情况看，断裂时间较长，表面被污染物覆盖，能谱分析断口上既有有机污染物也存在无机污染物。微观上观察断口为韧窝，韧窝中存在大量析出物质点，断口为过载断裂特征。由于该轴承内圈裂纹早期便发生过载断裂，随着使用时间的增加，污染物不断进入断口，导致裂纹缓慢张开，最终使得轴承内圈尺寸发生变化导致使用时发生紧涩、卡滞的现象。

从工艺过程上分析，该关节轴承发生断裂的工艺环节可能存在的装配过程中[6]，关节轴承在装配时，一旦内圈收到过度受压装配或强制装配的情况，极有可能在结构薄弱部位产生过载断裂，从宏观上反映就是可能在内圈小孔处发生断裂。而装配断裂由于是受过载断裂，断裂处就很有可能发生塑性变形，导致内圈工作过程中断裂处形貌与正常位置不一致，可能表现在工作摩擦痕迹不一致，使用卡滞等情况发生。建议后续严格控制同类型关节轴承的装配过程，避免强制装配，并在装配完成后对内外圈认真进行检查。