搖臂接頭疲勞有些現(xiàn)象？

失效分析

搖臂接頭是飛機上的關鍵受力部件,，有著受力嚴酷,、工作環(huán)境惡劣、故障率高的特點，需對搖臂接頭進行一系列嚴格的測試和試驗,，其中,，疲勞試驗是驗證其安全使用壽命的一項重要試驗。

某型機搖臂接頭疲勞試驗過程中,，完成了2400h的著陸載荷譜和地面載荷譜試驗加載后,，搖臂與機身連接的耳片出現(xiàn)裂紋，遠未達到搖臂接頭的使用壽命要求,。

在搖臂接頭疲勞試驗提前失效發(fā)生后,，對疲勞破壞部位進行了初步檢查，破壞現(xiàn)象如下：

（1）搖臂與機身連接的耳片內(nèi)側第二個耳片出現(xiàn)穿透性裂紋,。

（2）內(nèi)孔鉻層表面質量良好,，未磨損至機體。

（3）耳片外端有一6mm×1.5mm×0.5mm（長×寬×深）凹坑,，凹坑與裂縫重合,，凹坑表面漆層良好。

表面凹坑明顯是一個加工缺陷,，但是否是疲勞失效的原因,，還需要從結構設計、試驗加載,、斷口分析,、生產(chǎn)制造等各個環(huán)節(jié)進行分析,。

1.結構設計分析

（1）耳片尺寸及設計要求  搖臂通過兩組雙耳與機身連接,，耳片內(nèi)徑φ32mm，外徑φ58mm,，單個耳片厚度7mm,，如圖3所示。零件設計要求位：材料300M,，σb=（1960 ±100）MPa,，鍛件按Ⅱ類檢驗（Z101）；零件表面要求100%噴丸,，噴丸強度0.1～0.30A,；φ32mm內(nèi)孔要求鍍鉻表面粗糙度0.8μm；耳片其他表面要求鍍鎘鈦,，粗糙度1.6μm,。

（2）疲勞分析 300M鋼（40CrNiSi2MoVA鋼）材料疲勞性能見表3。按設計圖紙要求：φ32mm內(nèi)孔噴丸后鍍鉻,，其余部位噴丸鎘鈦,，因此將φ32mm內(nèi)孔定義為光滑式樣噴丸強化及鍍鉻處理類，其余部位為光滑式樣噴丸強化類，耳片材料平均疲勞性能為865MPa,?？紤]表面處理系數(shù)0.8，擦蝕系數(shù)取3,，采用如圖4的S-N曲線,，根據(jù)表1和表2使用的著陸、地面工況載荷譜,，耳片安全壽命大于100000h,，結構設計具有足夠的疲勞強度。

通過已完成的試驗次數(shù)進行反算,，得到耳片的應力疲勞極限約300MPa,，與表3中光滑試樣鍍鉻處理的疲勞極限相當，因此,，初步懷疑破壞耳片未進行噴丸強化,。

此外，耳片外表面凹坑的加工缺陷也會導致表面應力集中,，但外表面的應力大大低于耳孔內(nèi)表面,，也可能是裂紋原因。

2.試驗加載分析

結構強度試驗的三要素：載荷,、邊界約束和測量系統(tǒng),，如果其中一個因素與設計狀態(tài)背離，就有可能導致試驗無效,。試驗單位對試驗各環(huán)節(jié)進行了檢查,，結果如下：

（1）試驗件驗收、試驗設備計量,、開試評審均按照質量程序完成,，試驗質量受控。

（2）試驗安裝交點與裝機狀態(tài)一致,，試驗加載程序及載荷與試驗任務書一致,。

（3）使用過程側向加載時，用于模擬機身與搖臂連接接頭的夾具根部有變形,，導致加載點產(chǎn)生偏移,，zui大偏移量45mm。

針對實際夾具根部變形導致加載點偏移情況,，分別建立變形后的加載模型和不變形加載模型進行耳片應力分析,，分析結果如下：

（1）著陸載荷工況，zui大名義應力由381.8MPa下降到372.2MPa,，降低2.5%,。

（2）地面載荷工況,，zui大名義應力由246.3MPa下降到237.2MPa，降低3.7%,。

夾具變形,，并未造成搖臂耳片應力增加，因此不會導致?lián)u臂耳片提前破壞,。

3.試驗件斷口分析

（1）宏觀/微觀檢測

耳片斷口的整體形貌特征見圖5,、圖6，從宏觀下觀察,，裂紋從耳片內(nèi)表面呈線性起源,，在擴展過程中留下清晰的疲勞弧線。zui后斷裂的形貌呈剪切唇狀, 耳片外表面的凹坑位于瞬斷區(qū),，不是裂紋起源的原因,。

耳片安裝孔區(qū)域形貌磨損嚴重，形貌被破壞,，微觀形貌無法觀察,，磨損分界部位的微觀結構呈沿晶和解理斷裂形貌，在擴展區(qū)能觀察到細微的疲勞條帶,，瞬斷區(qū)形貌為典型的韌窩形貌,，

在磨損區(qū)域和非磨損區(qū)的分界處發(fā)現(xiàn)微觀斷口的形貌為沿晶+解理形貌，擴展區(qū)的宏觀形貌有疲勞弧線特征,，放大后的形貌有疲勞條帶,，表明斷口斷裂性質為疲勞斷裂。

（2）能譜分析

用線切割切取試樣后觀察,，從耳片的內(nèi)表面進行觀察,，發(fā)現(xiàn)裂紋附近有試驗過程中留下的微動磨損痕跡，同時有黑色的附著物,，為確定黑色附著物成份,，對斷口的磨損區(qū)域和沿晶斷裂區(qū)域進行能譜分析,，圖12為磨損區(qū)域的分析結果,，

對源區(qū)和磨損分界沿晶形貌區(qū)進行能譜分析，源區(qū)黑色磨損部位的Cr元素含量較高,，而在沿晶區(qū)的Cr元素含量在正常范圍,，表明該Cr元素的來源是裂紋產(chǎn)生后在試驗過程中因微動磨損而將鍍層上的Cr帶入。

（3）金相和硬度檢測

在耳片平行于斷口的部位截取試樣進行制樣,，進行顯微組織檢測,，發(fā)現(xiàn)組織為回火馬氏體，如圖14所示,，微觀組織正常,。

洛氏硬度檢測結果的平均值為46.4HRC,，在技術要求范圍內(nèi)，表明耳片材質正常,。

對耳片內(nèi)表面進行鍍層檢查,，發(fā)現(xiàn)中心鍍層有一較薄部位，zui薄部位鍍層厚度為0.0098mm,，其余均勻部位鍍層厚度為0.0245mm,，如圖15所示。從鍍層形狀觀察,，鍍層與基體結合部位平直,，基體部位無凹凸不平的噴丸強化痕跡。

4.制造工藝檢查

對搖臂加工工藝,、熱表工藝進行檢查,，發(fā)現(xiàn)機加工藝輸出沒有按照設計圖紙的要求執(zhí)行，將噴丸,、鍍鉻順序顛倒,。鍍鉻面無法進行噴丸處理，故沒有對鍍鉻耳片孔φ32H8進行噴丸處理,。

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5.試驗驗證

根據(jù)檢查結果，制造了新的試驗件,，對耳片兩側和內(nèi)孔進行了噴丸處理,，并實施了1件新的疲勞試驗，完成了全部著陸和地面試驗載荷譜,，并額外進行了11萬次的著陸工況,，試驗件仍未破壞，根據(jù)應力分析,，耳片處的應力疲勞極限達到500MPa,，與第1件疲勞極限300MPa相比，疲勞極限至少提高了67%以上,。

6.結語

（1）根據(jù)試驗件斷口分析,，裂紋源起始于耳片孔內(nèi)表面，外表面的凹坑加工缺陷不是導致耳片斷裂的主要因素,，但裂紋正好通過凹坑,，可見其一定程度上加劇了裂紋的產(chǎn)生，因此在制造中應嚴格控制,，避免此類表面加工缺陷,。

（2）對300M這種高強度鋼，鍍鉻處理會導致其疲勞強度急劇下降,，必須特別強調鍍鉻前的噴丸強化,。在工藝實施中，局部連接區(qū)域由于空間小,，噴丸處理有難度,，但這些連接部位卻往往是結構的疲勞關鍵區(qū)，因此在設計和制造時均應充分考慮到噴丸強化,。