飞机起落架刹车盘紧固螺栓断裂原因

2020-12-25傅国如

理化检验(物理分册) 2020年12期

田浩, 陈荣, 傅国如, 李权

(北京航空工程技术研究中心，北京 100076)

氢脆是指由于氢渗入金属内部，从而使金属零件或构件在低于材料屈服极限的静应力持续作用下发生失效的过程，其属于低应力延迟脆性断裂，具有突发性，故氢脆具有极大的破坏性[1]。因此，在航空装备的生产、使用和维修过程中，任何可能诱发氢脆的环节，均应引起人们的高度重视[2-6]。

某型号飞机在起飞前的机务检查过程中，发现左起落架左后外刹车盘的1根紧固螺栓已断裂。随后，对同型所有飞机的起落架刹车盘紧固螺栓进行普查，未见异常。断裂的紧固螺栓为M16螺栓，俄制件，其材料对应国内牌号为30CrMnSiNi2A超高强度钢，飞机表面为磷化处理。飞机经第3次修理后，该螺栓又使用了2 966 h,1 577个起落，总飞行17 295 h，9 650个起落。

为查明该螺栓的断裂原因，笔者对其进行了一系列检验和分析，以防止类似事故的再次发生。

1 理化检验

1.1 宏观分析

断裂螺栓在飞机上的位置如图1所示，飞机起落架刹车盘通过5根螺栓固定在轮轴架安装座上，螺栓套上垫片后由外套螺帽拧紧。断裂螺栓为面对刹车盘方向顺时针第1根。螺栓断裂位置与其外套螺帽基本平齐(图1可见螺栓断裂处高于安装座，高度正好为外套螺帽与安装座之间垫片的厚度)，外套螺帽、垫片及螺栓断裂部分未找到。

图1 断裂螺栓在起落架刹车盘上的位置示意图Fig.1 Location map of the fractured bolt onthe undercarriage brake disc

断裂螺栓的宏观形貌如图2所示，可见螺栓从螺纹段第1扣和第2扣的螺纹底部发生断裂，螺纹光杆段部位、退刀槽及螺纹底部局部可见腐蚀痕迹。螺栓断口整体较为洁净，局部可见黄褐色腐蚀痕迹，断口整体较为平直，基本垂直于轴线方向。断口断面形貌大致分为两个区域：Ⅰ区较为粗糙，有颗粒状特征；Ⅱ区较为细腻平滑，断裂棱线特征明显。根据断裂棱线收敛的方向判断，断裂起始于Ⅰ区，向Ⅱ区扩展，Ⅱ区外缘有剪切唇特征，为最终断裂区，如图3所示。观察螺栓断口Ⅰ区对应侧表面螺纹底部宏观形貌，局部可见腐蚀特征，如图4所示。

图2 断裂螺栓的宏观形貌Fig.2 Macro morphology of the fractured bolt

图3 断裂螺栓的断口宏观形貌Fig.3 Macro morphology of fracture of the fractured bolt

图4 螺栓断口Ⅰ区对应侧表面宏观形貌Fig.4 Macro morphology of the corresponding sidesurface of the bolt fracture zone I

1.2 微观分析

采用扫描电镜对螺栓断口进行微观观察。螺栓断口Ⅰ区微观形貌以沿晶特征为主，局部可见韧窝花样，晶粒轮廓鲜明，晶界面上伴有鸡爪纹特征，如图5所示。断口Ⅱ区微观形貌以韧窝花样为主，局部可见沿晶特征，如图6所示。剪切唇部位微观形貌为典型的韧窝特征，如图7所示。

图5 螺栓断口Ⅰ区微观形貌Fig.5 Micro morphology of the bolt fracture zone I:a) intergranular morphology; b) stria appearance

图6 螺栓断口Ⅱ区微观形貌Fig.6 Micro morphology of the bolt fracture zone Ⅱ

图7 螺栓断口剪切唇部位微观形貌Fig.7 Micro morphology of shear lip of the bolt fracture

观察断口Ⅰ区对应侧表面螺纹底部微观形貌，可见螺纹底部存在局部磷化层剥落及明显腐蚀特征，如图8所示。对断口Ⅰ区侧表面螺纹底部腐蚀部位和完整磷化层表面进行能谱(EDS)分析，结果表明，螺纹底部腐蚀部位的腐蚀元素主要为硫元素和氧元素，分析结果见表1。

1.3 其他检验

对断裂螺栓进行硬度测试和金相检验，实测螺栓的硬度为49.6 HRC，换算成抗拉强度为1 700 MPa，说明螺栓材料的强度级别高，属于超高强度钢。断裂螺栓的显微组织为正常的回火马氏体，未发现明显组织缺陷，如图9所示。从螺栓光杆段取样进行氢含量测定，实测氢的质量分数约为2×10-6%，满足氢质量分数不超过5×10-6%的技术要求。

图8 螺栓断口Ⅰ区侧表面微观形貌Fig.8 Micro morphology of side surface of the bolt fracture zone I:a) peeling off of phosphating layer; b) corrosion characteristics

表1 螺栓断口Ⅰ区不同部位的EDS分析结果(质量分数)Tab.1 EDS analysis results of different parts of the bolt fracture zone I (mass fraction) %

图9 断裂螺栓的显微组织形貌Fig.9 Microstructure morphology of the fractured bolt

2 分析与讨论

螺栓断口无宏观塑性变形，断口平齐，断面可见明显放射状断裂棱线，微观可见其主要为沿晶与韧窝混合特征，沿晶面较为洁净，且有典型的鸡爪痕，最后断裂区为韧窝形貌，说明螺栓的断口具有氢脆断裂特征，其断裂性质为氢脆断裂。

螺栓发生氢脆断裂，其内部必须含有一定量的氢，钢中的氢主要有3种来源：在冶炼、焊接及热处理过程中进入的氢；在电镀、酸洗等工艺过程中进入的氢；使用过程中，吸收腐蚀环境中产生的氢及高温氢气氛中吸氢[7-11]。前两种途径进入的氢，一般在螺栓使用前或使用后较短时间内就会导致螺栓出现裂纹或断裂；而在使用过程中因为腐蚀而进入的氢(阴极析氢反应)，则跟腐蚀发生的时机及腐蚀程度有关，通常需要较长的时间才会开裂。飞机经历了3次大修，大修时均会对螺栓进行探伤，探伤检查均未发现有裂纹，螺栓的总使用时间为17 295 h，第3次大修后的使用时间接近3 000 h，故可以排除前两种途径进入的氢。同时，飞机使用过程中起落架部位也不存在高温氢气氛，因此，导致螺栓发生氢脆断裂的氢来源于腐蚀过程中产生的氢。

断裂螺栓的理化检验表明，螺栓断裂部位与其外套螺帽基本平齐，断裂起源于螺栓的螺纹底部，外面有外套螺母包围，处于一个相对比较封闭的空间，很容易形成闭塞电池。由于闭塞电池下的水解作用，表面损伤部位在潮湿空气或水溶液中会产生尖部酸化，从而在腐蚀过程中产生阴极析氢反应[12-13]。从工厂大修工艺来看，工厂大修时对螺栓的检查只有磁粉探伤，而没有针对微区损伤的检查，螺栓断口对应侧表面螺纹底部可见明显腐蚀特征，腐蚀区腐蚀元素主要为硫元素和氧元素，具备从腐蚀环境中吸取腐蚀产生的氢而导致氢脆断裂的条件。螺栓的材料对应国内牌号为30CrMnSiNi2A超高强钢，该材料具有高的氢脆敏感性[14-15]。螺栓受到的工作应力主要是静拉应力，断裂部位位于螺纹底部，正好为应力集中部位。综上分析，导致该螺栓氢脆断裂的氢来源于表面局部腐蚀中产生的氢，螺栓发生氢脆断裂是由于吸收了表面局部腐蚀产生的氢所致。

鉴于飞机在使用过程中，约1 500个起落就需要更换刹车盘，建议可利用该时机对刹车盘的紧固螺栓进行微区损伤检查，以尽早发现裂纹故障。