分享：某电传操纵系统弹簧拉杆可调叉形接头断裂原因

王 京,欧阳康,许宜军,江怡南

(国营芜湖机械厂,芜湖 241007) 

摘 要:某飞机电传操纵系统弹簧拉杆可调叉形接头在运行过程中发生断裂,通过宏微观分析 和金相检验等方法对拉杆接头的断裂原因进行了分析。结果表明:拉杆接头断裂为疲劳断裂,断裂 的根本原因是其显微组织不均匀的同时出现了魏氏组织,使接头的抗疲劳性能严重降低,导致疲劳 裂纹的萌生与扩展;而拉杆的受力不均匀则加速了其疲劳裂纹的扩展。

关键词:弹簧拉杆;接头;疲劳断裂;魏氏组织;疲劳裂纹 中图分类号:TG115.2 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2021)03-0068-05

钛合金具有屈强比高、比强度高、密度低、弹性 模量低、导热系数好、耐腐蚀性好、焊接性好等特点, 被应用于多个工业领域[1-3]。其中航空领域仍然是 钛合金研究和应用占主导的重要领域,钛合金作为 当代先进飞机主要结构材料之一,主要用于飞机的 起落架和机身的蒙皮、桁条、框、隔热罩、壳体、紧固 件等部件,且使用量不断增加[4]。TC2钛合金具有 良好的综合力学性能,同时具有良好的低温韧性及 良好的抗海水应力腐蚀、抗热盐应力腐蚀性能,可制 造在400℃以下工作的冲压件、焊接件、模锻件及低 温结构件[5]。 某电传操纵系统弹簧拉杆可调叉形接头在飞机 上的使用寿命超过3000h,实际工作2000h即发 生了断裂。拉杆材料为 TC2钛合金,工作时受压应 力,接头螺纹处制备了厚度为8~15μm 的耐磨涂 层。为找到拉杆接头的断裂原因,笔者通过宏观分 析、微观断口分析、能谱分析、金相检验等方法对失 效接头进行了分析,确定了接头断裂的性质和产生 原因,并提出相应的改进措施。 

1 理化检验 

1.1 宏观分析

对断裂的弹簧拉杆叉形接头进行宏观分析,其 安装情况如图1所示。可见接头断成两部分,一部 分是拧入端,另一部分是接头端,断裂位置位于螺杆 拧入拉杆端露出第4个螺牙处,如图1a)所示;接头 分解下来可见螺杆经过开槽处理,断裂螺杆可分为 两段,一段是拧入段,一段是外露段,接头无明显变 形,如图1b)所示。 使用体视显微镜对断裂接头的接头端进行观察, 其宏观形貌如图2所示。可见螺杆整体无明显变形, 螺杆开槽对侧的螺牙局部存在损伤及划痕,断口下端 槽底均存在裂纹,如图2a)所示;从开槽对断裂接头的拧入端进行观察,其宏观形貌如 图3所示。可见螺杆未发生明显变形,开槽对侧螺牙方向观察,可 见开槽内存在纵向划痕,螺牙无明显损伤,开槽附近 螺牙的槽底也存在周向裂纹,如图2b)所示。 无明显损伤,槽底无裂纹,开槽一侧外露区存在划痕, 螺牙无明显损伤,如图3a)所示;右上端靠近断口有一 处螺牙发生轻微变形,靠近断口下侧有3处螺牙的槽 底出现周向裂纹,其他槽底无裂纹,如图3b)所示。 

对断口进行观察,宏观形貌如图4所示,按粗糙 程度将断口分3个区,1区断口可见弧线特征,裂纹 起源于上端外表面,外表面可见耐磨涂层;2区断口 形貌整体平整干净;3区靠近开槽处断口平坦,相对 2区较粗糙,无机械损伤。

1.2 微观分析 

使用场发射扫描电镜(SEM)对清洗后的断裂 拉杆接头断口进行观察,SEM 形貌如图5所示。可 见裂纹源区位于1区上端外表面,为解理断裂形貌, 明显可见疲劳弧线,高倍下可见疲劳条带特征[6],如 图5a),b),c)所示;2 区、3 区均呈现韧窝形貌,如 图5d)所示。

1.3 金相检验

在断裂拉杆接头的接头端断口下部沿周向及轴 向切割并制备金相试样,浸蚀后使用体视显微镜及 光学显微镜对其进行观察,图6为周向试样的显微 组织形貌。可见整体组织不均匀,存在成分偏析,开 槽对侧出现魏氏组织,该区域对应疲劳起源区与疲 劳扩展区,如图6a),b)所示;中间区域在高倍下显 微组织为α+β相等轴组织,如图6c)所示;开槽处 显微组织为网篮组织[7],如图6d)所示。 图7为轴向试 样 的 显 微 组 织 形 貌,可 见 整 体 显微组织形貌与周 向 试 样 的 相 似,从 左 至 右 呈 现 几种组织 并 存 的 形 貌 特 征,左 侧 为 魏 氏 组 织,螺 牙槽底 存 在 裂 纹,裂 纹 穿 过 耐 磨 涂 层 延 伸 至 基 体,如图7a)~b)所 示;中 部 显 微 组 织 为 α+β相 等轴 组 织,如 图 7c)所 示;右 侧 为 网 篮 组 织,如 图7d)所示。根据图6、图 7 可 知,轴 向 与 周 向 显 微组织相对应。 抽检在飞机上使用的同位置不同批次的拉杆接 头进行金相检验,图8为抽检接头的显微组织形貌。 可见该接头周向及轴向显微组织均匀,为α+β相等 轴组织,无成分偏析情况出现,螺牙槽底无裂纹,螺 牙处锻造流线良好,说明断裂拉杆接头可能存在批 次质量问题[8]。 

2 分析与讨论 

根据宏观分析可知,接头断裂位置位于螺杆拧 入拉杆端露出第4个螺牙处,螺杆无明显变形,接头 端螺杆开槽一侧螺牙无明显磨损,开槽对侧螺牙磨 损较重,螺牙槽底存在周向裂纹,拧入段槽底无裂 纹,螺杆外露段槽底存在周向裂纹,断口平整,可见 弧线特征,裂纹源区位于开槽对侧外表面;根据微观 分析可知,开槽对侧断口呈解理断裂形貌特征,可见 明显的疲劳条带,疲劳源为线源,位于外表面;金相 检验结果显示,螺杆出现3种组织并存的形貌特征, 显微组织形貌与断口微观形貌特征相对应,魏氏组 织区对应断口的疲劳扩展区,等轴组织区对应断口 中间区域,网篮组织区对应开槽口区域,中间区域及槽口区域均为疲劳断口的瞬断区。由以上结果可知 接头的断裂性质为疲劳断裂,且螺杆工作时受力不 均,由于拧入段螺杆被周向固定,其槽底未发现周向 裂纹,外露 段 因 为 螺 杆 的 偏 向 受 力 导 致 槽 底 出 现 裂纹。 钛有两种同素异构体,在882.5 ℃以下为密排 六方晶格的α相,在882.5~1668 ℃为体心立方晶 格的β相,即882.5 ℃为α相到β相的转变温度,由 于钛 合 金 中 氧 和 氮 的 含 量 变 化,使 β 相 变 点 在 865~920 ℃范围变化。拉杆材料为 TC2 钛合金, 属于α+β相钛合金。在β相区加热后未变形或变 形量不大的情况下,温度较慢地从β相区冷却下来, 可以得到魏氏组织;当变形始于β相区,但在 α+β 相区终止,变形量达到 50% 以 上 时 会 形 成 网 篮 组 织;当变形加工和热处理全部在α+β相区或在α相 区进行,且加热温度均低于β相变点较多时,可获得 等轴组织[9-11],3种组织的形成温度从高到低依次为 魏氏组织、网篮组织、等轴组织。该断裂接头在模锻 后经完全退火处理,判断导致接头组织不均的原因 有3种。第一种是断裂接头在模锻热变形过程中 温度出现了 严 重 不 均 匀 的 情 况,槽 口 对 侧 温 度 最 高,槽口温 度 较 高,中 间 区 域 温 度 最 低,在 锻 造 过 程中,钛合金组织取决于变形温度、变形速率和变 形程度,考虑到拉杆直径仅为10mm,在较长时间 内等待接头截面不同部位发生明显的温度及程度 变化可能性不大。第二种是接头在模锻前其组织 中已存在化 学 成 分 偏 析 现 象,引 起 局 部 元 素 贫 化 或富集,导致相变点发生改变,在后续模锻过程中 会引起接头 截 面 显 微 组 织 不 均 匀,导 致 3 种 组 织 并存。第三种是接头在模锻前其毛坯存在局部过 热,在过热区会形成粗大的魏氏组织,也可能导致 拉杆接头出现组织不均的现象。由于该接头为国 外制造,存在不可追溯性,推测拉杆接头在模锻前 其原材料存 在 偏 析 或 者 局 部 过 热 的 可 能 性 较 大, 接头可能存在批次质量问题。 由以上分析可知,拉杆接头疲劳断裂的根本原 因是其组织不均匀的同时出现了魏氏组织。魏氏组 织综合性能差,疲劳性能较低[12-13],使接头的抗疲 劳性能严重降低,导致疲劳裂纹的萌生与扩展。而 拉杆的受力不均匀则加速了疲劳裂纹的扩展,导致 接头在使用2000h后便发生疲劳断裂,未能达到 规定使用期限(3000h)。考虑到数量较少,首先将 外制拉杆接头进行更换,对更换后的拉杆进行跟踪 记录,结果是无短时间内发生拉杆疲劳断裂现象;对 拉杆组织不均匀的现象向目前供货方反馈,同时增 加成品的腐蚀检验及探伤检查。 

3 结论及建议

(1)叉形拉杆接头断裂性质为疲劳断裂,疲劳 源区为外侧线源。 (2)拉杆接头螺杆显微组织中出现了魏氏组 织、等轴组织、网篮组织等 组织不均匀,魏氏组织的出 3 现 种 严 组 重 织 降 并 低 存 了 的 拉 情 杆 况 接 ,其 头 的抗疲劳性能,使疲劳裂纹萌生并扩展,是其疲劳断 裂的根本原因;同时拉杆受力不均匀会加速疲劳裂 纹的扩展。 (3)建议制造厂家对拉杆接头进行原材料复 检,包括化学成分、力学性能及金相检验等;建议对 半成品也进行检验,包括硬度、常规力学性能和高、 低倍组织检验;建议使用单位进行成品检验,对接头 进行高、低倍组织检验及荧光探伤检查。

来源：材料与测试网