斜撐桿失效案例分析

郭治文 周松蔚 童俊梅

摘 要：飛機發動機吊架斜撐桿作為飛機發動機安裝的重要結構部件，服役過程中往往承受著復雜多變載荷的影響，某型號飛機在飛行后的例行檢查中發現飛機發動機吊架一根材質為30CrMnSiA的斜撐桿發生斷裂現象。該文通過宏觀形貌檢查、力學性能檢測、化學成分分析、金相觀察及掃描電鏡（SEM）等方法對斜撐桿使用過程中發生斷裂的原因進行分析。結果表明，斜撐桿螺紋根部應力集中引起表面早期裂紋，在一次異常載荷作用下引起斜撐桿發生過應力斷裂。

關鍵詞：飛機發動機；斜撐桿；裂紋；應力集中；過應力斷裂

中圖分類號：V23 文獻標志碼：A

0 引言

某型號飛機的發動機吊架斜撐桿材質為30CrMnSiA鋼，經車以及滾絲加工后光澤淬火處理，在一次飛行后的例行檢查發現該斜撐桿發生斷裂，為找出斷裂的原因，該文通過宏觀形貌檢查、力學性能檢測、化學成分分析和金相觀察及掃描電鏡（SEM）等方面進行了分析研究，得出斜撐桿斷裂的原因。

1 試驗方法

1.1 外觀檢查

外觀檢查發現，斷裂發生在斜撐桿垂直端一側的螺紋部位，相比于未斷裂的斜撐桿，斷裂的斜撐桿在斷裂一側發生了較大的彎曲變形，說明斜撐桿在斷裂之前受到較大的外力。觀察發現，在斷裂的螺紋處表面油漆脫落嚴重且發生銹蝕，而彎曲處也存在表面油漆脫落情況，但該處并未發生明顯的銹蝕，說明兩處油漆脫落存在時間差。推測認為螺紋處油漆先脫落，而彎曲處則為斜撐桿受彎曲力時發生脫落。斷面觀察顯示，斷面呈現紅褐色為明顯鐵銹色，經鉻酐清洗后，紅褐色鐵銹基本去除完全。

1.2 SEM觀察

采用SEM對清洗后斷面進行觀察，結果顯示：1）在斷面外側觀察到一處裂紋擴展痕跡，裂紋從最外側萌生，向內擴展，如圖1所示；2）對斷面外側區域進行放大觀察，發現斷面外側呈現典型的韌窩形貌，為韌性斷裂，代表性SEM照片如圖2所示；3）對斷面內部區域進行放大觀察，發現整個斷面均呈現為韌窩形貌，為韌性斷裂，代表性SEM照片如圖3所示；4）對螺牙部分側面進行觀察發現，在多個螺牙根部均發現了不同長度的裂紋，代表性SEM照片如圖4所示。

綜上所述，樣品斷面均呈現韌窩狀，為典型的韌性斷裂，說明樣品為過載斷裂；樣品斷裂起源于外表面，即螺紋根部，且在螺紋根部觀察到較多的裂紋，說明斷裂的起源為螺牙根部的初始裂紋。

1.3 金相觀察

截取斷裂螺紋附近螺紋部分進行固封，并對其剖面進行磨拋然后在金相顯微鏡下觀察，觀察結果表明，在螺牙根部同樣觀察到裂紋，裂紋深度約為158 μm～195 μm。

對斜撐桿截面進行磨拋，蝕刻后觀察其邊緣以及芯部組織，觀察結果表明，其邊沿金相組織與芯部金相組織相似，均為淬火馬氏體組織，晶界相對清晰。

1.4 化學成分

依據GJB1951—94《航空用優質結構鋼棒規范》對30CrMnSiA鋼的化學成分含量的要求，采用ICP-OES對斷裂斜撐桿樣品進行分析，結果顯示，樣品中主要含有鉻（Cr）0.992 %（技術要求0.80 %～1.10 %）、銅（Cu）0.0587 %（技術要求≤0.25 %）、錳（Mn）0.890%（技術要求0.80 %～1.10 %）、磷（P）0.0127 %（技術要求≤0.025 %）、硅（Si）0.549 %（技術要求0.90 %～1.20 %）、鎳（Ni）0.0310 %（技術要求≤0.40 %）、碳（C）0.321 %（技術要求0.28 %～0.35 %）和硫（S）0.0016 %（技術要求≤0.015 %），其中元素硅（Si）含量為0.549 %，低于GJB1951—94標準要求的0.90 %～1.20 %，其余各元素成分滿足產品標準要求。

1.5 力學性能

依據GJB1951—94《航空用優質結構鋼棒規范》對30CrMnSiA鋼力學性能的要求，對斜撐桿樣品進行力學性能檢測，測試結果分別為：抗拉強度為1 217 MPa（技術要求≥1 080 MPa）、屈服強度為1 120 MPa（技術要求≥835 MPa）、延伸率為11.0 %（技術要求≥10 %），結果表明，斜撐桿各力學性能指標均滿足標準要求。

2 綜合分析

外觀觀察顯示，斷裂發生在斜撐桿垂直端一側的螺紋部位，且在斷裂部位觀察到一定的銹蝕，斜撐桿在斷裂一側發生了較大的彎曲變形，說明斜撐桿在斷裂之前受到較大的外力。螺牙外表面觀察顯示，在螺牙根部觀察到較多的不同長度的表面裂紋，螺紋剖面結果顯示，其中一條裂紋深度約為158 μm～195 μm。斷面SEM觀察結果顯示，裂紋起源于斷面的邊緣，整個斷面均為韌窩形貌，呈現過載斷裂。化學成分結果顯示，斜撐桿各成分中，硅（Si）元素低于標準要求。金相結果顯示斜撐桿表面與芯部組織相似，均為馬氏體組織，說明熱處理工藝得當，通常情況下，材料的力學性能可通過熱處理來調節，力學性能結果顯示，斜撐桿其各力學性能指標均滿足標準要求，驗證了熱處理工藝得當。

綜上所述，斜撐桿在使用過程中，應力會在螺牙根部集中，產生表面裂紋并向內擴展，降低斜撐桿承載力。在使用時，斜撐桿受到一次異常載荷使斜撐桿發生彎曲變形，同時該載荷傳導并集中到螺牙根部的裂紋處，使斜撐桿發生過應力斷裂。

3 結論

螺紋根部應力集中引起表面早期裂紋，在一次異常載荷作用下引起斜撐桿發生過應力斷裂。

參考文獻

[1]張棟，鐘培道，陶春虎，等.失效分析[M].北京：國防工業出版社，2004.

[2]李召華，王春凈，羅湘燕.30CrMnSiA鋼的最終熱處理工藝研究[J].新技術新工藝，2017（10）：1-3.

[3]劉志強，李曉紅，馬彪，等.熱處理工藝對30CrMnSi鋼沖擊性能的影響[J].金屬熱處理，2015，40（4）：74-76.

[4]酈正能.工程斷裂力學[M].北京：北京航空航天大學出版社，2012.