斜撑杆失效案例分析

郭治文 周松蔚 童俊梅

摘 要：飞机发动机吊架斜撑杆作为飞机发动机安装的重要结构部件，服役过程中往往承受着复杂多变载荷的影响，某型号飞机在飞行后的例行检查中发现飞机发动机吊架一根材质为30CrMnSiA的斜撑杆发生断裂现象。该文通过宏观形貌检查、力学性能检测、化学成分分析、金相观察及扫描电镜（SEM）等方法对斜撑杆使用过程中发生断裂的原因进行分析。结果表明，斜撑杆螺纹根部应力集中引起表面早期裂纹，在一次异常载荷作用下引起斜撑杆发生过应力断裂。

关键词：飞机发动机；斜撑杆；裂纹；应力集中；过应力断裂

中图分类号：V23 文献标志码：A

0 引言

某型号飞机的发动机吊架斜撑杆材质为30CrMnSiA钢，经车以及滚丝加工后光泽淬火处理，在一次飞行后的例行检查发现该斜撑杆发生断裂，为找出断裂的原因，该文通过宏观形貌检查、力学性能检测、化学成分分析和金相观察及扫描电镜（SEM）等方面进行了分析研究，得出斜撑杆断裂的原因。

1 試验方法

1.1 外观检查

外观检查发现，断裂发生在斜撑杆垂直端一侧的螺纹部位，相比于未断裂的斜撑杆，断裂的斜撑杆在断裂一侧发生了较大的弯曲变形，说明斜撑杆在断裂之前受到较大的外力。观察发现，在断裂的螺纹处表面油漆脱落严重且发生锈蚀，而弯曲处也存在表面油漆脱落情况，但该处并未发生明显的锈蚀，说明两处油漆脱落存在时间差。推测认为螺纹处油漆先脱落，而弯曲处则为斜撑杆受弯曲力时发生脱落。断面观察显示，断面呈现红褐色为明显铁锈色，经铬酐清洗后，红褐色铁锈基本去除完全。

1.2 SEM观察

采用SEM对清洗后断面进行观察，结果显示：1）在断面外侧观察到一处裂纹扩展痕迹，裂纹从最外侧萌生，向内扩展，如图1所示；2）对断面外侧区域进行放大观察，发现断面外侧呈现典型的韧窝形貌，为韧性断裂，代表性SEM照片如图2所示；3）对断面内部区域进行放大观察，发现整个断面均呈现为韧窝形貌，为韧性断裂，代表性SEM照片如图3所示；4）对螺牙部分侧面进行观察发现，在多个螺牙根部均发现了不同长度的裂纹，代表性SEM照片如图4所示。

综上所述，样品断面均呈现韧窝状，为典型的韧性断裂，说明样品为过载断裂；样品断裂起源于外表面，即螺纹根部，且在螺纹根部观察到较多的裂纹，说明断裂的起源为螺牙根部的初始裂纹。

1.3 金相观察

截取断裂螺纹附近螺纹部分进行固封，并对其剖面进行磨抛然后在金相显微镜下观察，观察结果表明，在螺牙根部同样观察到裂纹，裂纹深度约为158 μm～195 μm。

对斜撑杆截面进行磨抛，蚀刻后观察其边缘以及芯部组织，观察结果表明，其边沿金相组织与芯部金相组织相似，均为淬火马氏体组织，晶界相对清晰。

1.4 化学成分

依据GJB1951—94《航空用优质结构钢棒规范》对30CrMnSiA钢的化学成分含量的要求，采用ICP-OES对断裂斜撑杆样品进行分析，结果显示，样品中主要含有铬（Cr）0.992 %（技术要求0.80 %～1.10 %）、铜（Cu）0.0587 %（技术要求≤0.25 %）、锰（Mn）0.890%（技术要求0.80 %～1.10 %）、磷（P）0.0127 %（技术要求≤0.025 %）、硅（Si）0.549 %（技术要求0.90 %～1.20 %）、镍（Ni）0.0310 %（技术要求≤0.40 %）、碳（C）0.321 %（技术要求0.28 %～0.35 %）和硫（S）0.0016 %（技术要求≤0.015 %），其中元素硅（Si）含量为0.549 %，低于GJB1951—94标准要求的0.90 %～1.20 %，其余各元素成分满足产品标准要求。

1.5 力学性能

依据GJB1951—94《航空用优质结构钢棒规范》对30CrMnSiA钢力学性能的要求，对斜撑杆样品进行力学性能检测，测试结果分别为：抗拉强度为1 217 MPa（技术要求≥1 080 MPa）、屈服强度为1 120 MPa（技术要求≥835 MPa）、延伸率为11.0 %（技术要求≥10 %），结果表明，斜撑杆各力学性能指标均满足标准要求。

2 综合分析

外观观察显示，断裂发生在斜撑杆垂直端一侧的螺纹部位，且在断裂部位观察到一定的锈蚀，斜撑杆在断裂一侧发生了较大的弯曲变形，说明斜撑杆在断裂之前受到较大的外力。螺牙外表面观察显示，在螺牙根部观察到较多的不同长度的表面裂纹，螺纹剖面结果显示，其中一条裂纹深度约为158 μm～195 μm。断面SEM观察结果显示，裂纹起源于断面的边缘，整个断面均为韧窝形貌，呈现过载断裂。化学成分结果显示，斜撑杆各成分中，硅（Si）元素低于标准要求。金相结果显示斜撑杆表面与芯部组织相似，均为马氏体组织，说明热处理工艺得当，通常情况下，材料的力学性能可通过热处理来调节，力学性能结果显示，斜撑杆其各力学性能指标均满足标准要求，验证了热处理工艺得当。

综上所述，斜撑杆在使用过程中，应力会在螺牙根部集中，产生表面裂纹并向内扩展，降低斜撑杆承载力。在使用时，斜撑杆受到一次异常载荷使斜撑杆发生弯曲变形，同时该载荷传导并集中到螺牙根部的裂纹处，使斜撑杆发生过应力断裂。

3 结论

螺纹根部应力集中引起表面早期裂纹，在一次异常载荷作用下引起斜撑杆发生过应力断裂。

参考文献

[1]张栋，钟培道，陶春虎，等.失效分析[M].北京：国防工业出版社，2004.

[2]李召华，王春净，罗湘燕.30CrMnSiA钢的最终热处理工艺研究[J].新技术新工艺，2017（10）：1-3.

[3]刘志强，李晓红，马彪，等.热处理工艺对30CrMnSi钢冲击性能的影响[J].金属热处理，2015，40（4）：74-76.

[4]郦正能.工程断裂力学[M].北京：北京航空航天大学出版社，2012.