飛機關節軸承內圈裂紋分析

王 珊，黃 超，歐陽康

（國營蕪湖機械廠，安徽 蕪湖 241007）

0 概述

飛機機體用關節軸承要求承載能力高，具有一定的調心能力，其運動方式多為擺動或偏擺，速率低，需要定期潤滑，主要應用于飛機艙門、起落架、方向舵、升降舵、襟翼、縫翼、擾流板、安定面、發動機吊掛、操縱系統等部位[1]。其失效后將導致飛機上重要傳動部件故障，嚴重時可影響飛行安全。國內目前已有對于其相關失效模式的研究[2]和典型案例的相關分析[3-5]，但相關文獻分析未對過程開展詳細探討。

地面裝配前檢查，發現有一關節軸承裂紋，杠桿機構非常緊澀、卡滯。軸承為標準件，工作中受34.3 N推拉力，工作環境為空氣。通過對關節軸承裂紋進行了外觀觀察、體視檢查、微觀觀察、能譜分析，金相檢查、硬度測試，確定了軸承裂紋的斷裂性質。

1 試驗過程與結果

1.1 外觀觀察

由圖1（a）可見，軸承為關節軸承，工作過程中為內圈在軸承外圈中轉動以起到萬向轉動的作用。軸承的斷裂位置為軸承內圈小孔處，裂紋上下貫通穿過小孔，見圖 1（b）。

圖1 斷裂軸承裂紋外觀

1.2 體視檢查

使用體視顯微鏡對裂紋處進行觀察，由圖2（a）、（b）可見，軸承內圈正面和端面都可見裂紋貫穿，說明該裂紋已整體裂穿。對比圖 2（a）、（c）、（d），可見斷裂小孔旁無工作過程中正常摩擦所產生的形貌，而另一側小孔處與完好軸承內圈的表面均有工作中正常摩擦形成的痕跡。

圖2 軸承內圈裂紋外觀形貌

通過機械方法將軸承內圈裂紋打開，打開后的斷口表面呈黑灰色，表面存在明顯污染，斷口較平整，未發現疲勞弧線、人字紋等其它斷裂特征，見圖3。

圖3 軸承內圈斷口體視形貌

1.3 微觀觀察

使用場發射掃描電子顯微鏡對軸承內圈斷口表面進行觀察，低倍下可見斷口由于污染存在白色的不導電物質，邊緣處可見有碎屑進入受壓后覆蓋在斷口表面，具體見圖4。

圖4 軸承內圈斷口微觀形貌

對斷口使用丙酮進行超聲波清洗后，再次放入場發射掃描電子顯微鏡中觀察，首先觀察小孔旁一側斷面，低倍斷口較平整，放大后可見斷口左右、上下處均為韌窩形貌，并且可見少量晶面開裂形貌，韌窩處可見大量析出相質點，見圖5。

圖5 軸承內圈清洗后小孔一側斷口微觀形貌

繼續觀察小孔旁另一側斷面，同前面觀察的一致，低倍斷口較平整，放大后可見斷口左右、上下處均為韌窩形貌，并且可見少量晶面開裂形貌，韌窩處可見大量析出相質點，上側邊緣處可見碎屑受壓覆蓋在斷口表面，見圖6。

圖6 軸承內圈清洗后小孔另一側斷口微觀形貌

1.4 能譜分析

使用能譜儀對未清洗斷口的元素分布情況和基體進行分析，結果見表1。可見斷口污染物主要為含C、O的有機物和含Si的無機污染物組成，基體金屬元素為Fe、Cr且Cr含量較高，可見判定該軸承為高鉻的不銹鋼。

表1 能譜分析結果（wt%）

1.5 金相檢查

在斷裂軸承內圈截取部分試樣后，經鑲嵌、磨制、拋光后，使用氯化高鐵鹽酸水溶液浸蝕后使用金相顯微鏡進行觀察。由圖7可見，軸承內圈組織為馬氏體+彌散析出的碳化鉻，部分碳化鉻形態較大，這可能與該材料含鉻量較高有關。

圖7 軸承內圈金相組織

1.6 硬度測試

對軸承內圈的金相試樣進行維氏硬度試驗，試驗結果見表2，使用GB/T 1172-1999換算的洛氏硬度值HRC為62，符合一般高鉻耐磨不銹鋼的硬度要求。

表2 維氏硬度檢測結果

2 分析與討論

由宏觀觀察到的工作摩擦痕跡差異、斷口污染情況以及清洗后微觀觀察到的韌窩形貌可以推斷該軸承內圈斷裂是早期發生的過載斷裂。

從金相組織和硬度符合高鉻耐磨不銹鋼的一般特征來看，該關節軸承不存在明顯的材料缺陷與冶金問題。體視觀察到的斷裂處工作面磨擦形貌區別于非斷裂處與完好軸承，可以推斷該處早期可能就已經發生斷裂，并伴隨有一定程度的塑性變形導致裂紋處工作面無摩擦形貌。并且從斷口表面的污染情況看，斷裂時間較長，表面被污染物覆蓋，能譜分析斷口上既有有機污染物也存在無機污染物。微觀上觀察斷口為韌窩，韌窩中存在大量析出物質點，斷口為過載斷裂特征。由于該軸承內圈裂紋早期便發生過載斷裂，隨著使用時間的增加，污染物不斷進入斷口，導致裂紋緩慢張開，最終使得軸承內圈尺寸發生變化導致使用時發生緊澀、卡滯的現象。

從工藝過程上分析，該關節軸承發生斷裂的工藝環節可能存在的裝配過程中[6]，關節軸承在裝配時，一旦內圈收到過度受壓裝配或強制裝配的情況，極有可能在結構薄弱部位產生過載斷裂，從宏觀上反映就是可能在內圈小孔處發生斷裂。而裝配斷裂由于是受過載斷裂，斷裂處就很有可能發生塑性變形，導致內圈工作過程中斷裂處形貌與正常位置不一致，可能表現在工作摩擦痕跡不一致，使用卡滯等情況發生。建議后續嚴格控制同類型關節軸承的裝配過程，避免強制裝配，并在裝配完成后對內外圈認真進行檢查。

3 結論與建議

（1）關節軸承內圈斷裂是早期發生的過載斷裂；

（2）斷口污染物增加導致裂紋緩慢張開，使得軸承內圈尺寸發生變化導致使用時發生緊澀、卡滯的現象；

（3）建議后續嚴格控制同類型關節軸承的裝配過程，避免強制裝配，并在裝配完成后對內外圈認真進行檢查。