图 1开裂安装轴宏观形貌
30CrMnSiNi2A钢是我国航空工业广泛应用的低合金超高强度钢，其具有较好的淬透性，经热处理后具有较高的强度、塑性和韧性，以及良好的抗疲劳性和断裂韧性，低的疲劳裂纹扩展速率，但对缺口和氢脆（包括环境氢脆）较敏感。起落架是飞机的关键部件之一，可用于支承飞机质量、吸收撞击能量，要求其具有高的强度和韧性、良好的耐腐蚀性和抗疲劳性等，因此常选用超高强度钢制造及装配起落架零件。为充分发挥超高强度钢的优异性能，需要对结构中零件采用不同的处理工艺，通常采用电镀或磷化等表面处理方法提高零件的耐腐蚀性能。但是表面处理工艺与超高强度钢自身对氢脆较敏感，如果工艺设计和实施不当，会导致产品出现质量问题，影响起落架的安全使用。
将安装轴与前起落架轮叉连接，用于安装前机轮，安装轴的材料为30CrMnSiNi2A钢，热处理要求强度为（1 666±98） MPa，外表面杆部镀硬铬，其余表面进行磷化处理。该安装轴大修后随飞机装机并使用一段时间后，经磁粉检测发现在安装轴端头支撑面附近的R角周向有多处裂纹，裂纹断续，长度不等。采用一系列理化检验方法对安装轴裂纹产生的原因进行分析，并提出了改进措施，以避免该类问题再次发生。
1. 理化检验
1.1 宏观观察
开裂安装轴宏观形貌如图1所示。由图1可知：光杆部位两个镀铬区域光亮，中间段及左侧端头支撑面的亮灰色区为磷化处理表面，镀铬层表面沿周向可见磨损痕，有些磨痕与周向呈倾斜角度。
安装轴支撑面R角周向表面宏观形貌如图2所示。由图2可知：裂纹位于支撑面附近R角区域，目视无法辨识裂纹特征，支撑面约3/4周可见磨损发亮，磨损区宽度相近，局部R角根部有周向挤压痕，端头四方面表面完整，相邻四方面与圆角结合的支撑面局部磨损发亮，表面的磷化层呈亮灰色。
在体视显微镜下对R角区域裂纹进行观察，结果如图3所示。由图3可知：裂纹位于R角区域表面，沿周向呈断续分布，裂纹区约占2/5圆周，在裂纹附近的支撑面上可见周向局部磨损痕，宽度相近，磨损程度逐渐减轻，这些表面磨损痕迹由装配后与机轮等零件配合接触所致。
将裂纹区沿纵向垂直表面切割，在裂纹区背面周向用砂轮打磨减薄截面，打断后观察断口的宏观形貌，结果如图4所示。由图4可知：靠近切割边缘的裂纹较长，其断面宽度相近，宽度约为0.39 mm，断面较平齐，表面较粗糙，呈暗褐色；裂纹呈不连续状，伴随出现两处小裂纹断面，裂纹长度分别为2.83，2.16 mm，裂纹深度为0.17 mm，呈暗褐色，打断区呈亮灰金属色，撕裂棱线明显。
1.2 扫描电镜（SEM）及能谱分析
用扫描电镜对裂纹区进行观察，结果如图5所示。由图5可知：表面裂纹沿周向断续分布，局部还出现并列排布裂纹，裂纹附近表面膜层吻合性较好，磷化层表面呈针状形貌，无明显膜层损伤、缺失现象。
利用扫描电镜对多处裂纹断口进行观察，结果如图6所示。由图6可知：各处裂纹的深度相近，断口呈沿晶形貌，局部可见扩展台阶，附近撕裂棱线明显，靠近膜层的断口晶面上局部有附着物聚集，断口中部区域呈沿晶形貌，晶粒表面较干净；人为打断区和裂纹断面处的分界线明显，形貌由沿晶特征转变为韧窝特征，晶面上可见撕裂棱线形貌，且伴有沿晶二次裂纹。
在断口上从膜层向基体瞬断区，并经过裂纹区取样，对各位置试样分别进行能谱分析，结果如表1所示。由表1可知：膜层表面主要含有磷化处理的相关元素，如P、Zn、K、Ca等元素，其中C、O元素含量较多，与表面裸露有关，膜层附近的断面上存在少量的膜层成分，C、O元素含量变少，说明裂纹开口缝隙的膜层物质转移附着；裂纹区、过渡区断口表面除含有正常基体元素外，还含有C、O元素及微量Zn元素，说明裂纹表面有氧化现象，但未见Cl、S等外来腐蚀介质元素；瞬断区为正常的材料基体成分，由于断面较新鲜，其表面氧元素含量较少。
Table 1.断口表面能谱分析结果
利用扫描电镜对断续裂纹进行观察，结果如图7所示。由图7可知：多处微裂纹断口均呈沿晶特征，但局部裂纹还出现沿晶+疲劳扩展的断口形貌，整个沿晶区由表面向内部分为两个晶粒尺寸不同的区域；由局部的沿晶和疲劳形貌可知，在表层出现了深度较浅的脆性裂纹，且该裂纹尖端受交变载荷作用，进而发生疲劳扩展。
1.3 金相检验
在安装轴的裂纹区纵向切取金相试样，使用体积分数为4%的硝酸乙醇溶液腐蚀试样，将试样置于光学显微镜下观察，结果如图8所示。由图8可知：裂纹在R区弧面与切向垂直向内分布，裂纹起始端缝隙较大，呈沿晶特征，裂纹向内呈沿晶分叉状扩展，裂纹两侧组织无脱碳，基体组织为回火马氏体，未见冶金缺陷。
1.4 硬度测试
对金相试样进行显微硬度测试，结果显示：试样的硬度平均值为519 HV0.5，换算成强度为1 757 MPa，结果符合要求。
1.5 化学成分分析
采用光谱分析方法对安装轴基体材料进行化学成分分析，结果如表2所示。由表2可知：安装轴基体的化学成分符合GJB 1951—1994 《航空用优质结构钢棒规范》对30CrMnSiNi2A钢的要求。
Table 2.安装轴基体的化学成分分析结果
2. 综合分析
由宏观观察结果可知：裂纹位于支撑面端头附近R角区域，沿R角弧面周向断续分布，裂纹区约占2/5圆周，在裂纹附近的支撑面上可见周向局部磨损痕迹，痕迹的宽度相近，磨损程度逐渐减轻。扫描电镜分析结果显示，裂纹附近表面膜层较完整，局部裂纹呈并列排布，磷化层表面呈针状形貌，无明显膜层损伤、缺失现象；裂纹断面宽度相近，断面较平齐，表面较粗糙，呈暗褐色，裂纹呈现不连续状分布，裂纹长度较短、深度较浅。
裂纹呈沿晶形貌，局部可见扩展台阶，撕裂棱线明显，由表面向内部的晶面及附着物除含有基体元素外，还含有O、P、Zn等元素，说明断面上的附着物主要为表面膜层成分，无明显外来腐蚀性元素。打断区和裂纹沿晶形貌的界限明显，晶面上出现撕裂棱线特征。裂纹在R区弧面与切向垂直向内分布，裂纹起始端缝隙较大，呈沿晶特征，裂纹向内呈沿晶分叉状扩展，裂纹两侧组织无脱碳现象。说明安装轴开裂性质为沿晶脆性开裂。
超高强度钢零件服役过程中产生沿晶裂纹的主要原因有应力腐蚀、氢脆和回火脆等。上述理化检验结果表明，该安装轴不具备应力腐蚀的环境条件，且不存在回火脆。安装轴上裂纹所在的R角表面经过磷化处理工艺，且之前还经历了镀铬工序，表面处理过程存在氢元素进入材料基体的条件，且热处理强度较高，对氢脆敏感，结合裂纹的分布特征及断口形貌可确定，安装轴发生了氢脆开裂[1]。
安装轴支撑面约3/4周可见磨损发亮，磨损区宽度相近，局部R角根部有周向挤压痕迹，表明轴装配使用中支撑面发生了局部偏磨现象，断口呈沿晶+疲劳扩展形貌，表明安装轴在使用中受到交变应力作用，早期的沿晶裂纹发生疲劳扩展。较长的裂纹深度较深，其沿晶形貌和瞬断韧窝界线明显，未出现疲劳扩展，说明安装轴在大修安装后受力状态改变，局部位置产生较大的交变应力，该位置与表面脆性微裂纹区吻合，也表明安装轴支撑面的预紧应力较小。
安装轴装配后，机轮在机构中旋转，光杆表面主要受剪切应力的作用，轴的端面支撑面仅起到位置限定的作用，虽然R角根部为应力集中位置，但是应力较小，因此表面较深的沿晶裂纹未发生明显的疲劳扩展。
该开裂安装轴的热处理强度符合标准要求，组织为回火马氏体，未见冶金缺陷，表明其热处理状态正常。
3. 结论与建议
安装轴的R角根部表面转角区经磷化处理以及表面镀铬处理后，产生了早期氢脆裂纹，安装轴在大修安装后受力状态改变，裂纹发生疲劳扩展，最终导致安装轴开裂。
建议在零件制造过程中对轴的R角进行挤压强化处理，严格控制表面处理工艺中的消除残余应力和除氢工序，对工艺过程进行氢脆性评定，以防止安装轴产生氢脆裂纹；应避免支撑面区域在使用过程中出现偏磨等问题，以降低该区域的交变应力水平。
文章来源——材料与测试网