一、 超高強(qiáng)度鋼應(yīng)力腐蝕開裂

起落架故障導(dǎo)致飛機(jī)事故

       美國飛機(jī)部件破壞調(diào)查分析表明,起落架多數(shù)是由于表面引起應(yīng)力腐蝕或疲勞裂紋擴(kuò)展而導(dǎo)致最后斷裂的.零件表面缺陷在應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的共同作用下,由于電化學(xué)反應(yīng),表面產(chǎn)生不均勻腐蝕坑,進(jìn)而開始應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展,且往往在宏觀應(yīng)力遠(yuǎn)低于屈服強(qiáng)度的情況下發(fā)生滯后破壞.

  
      目前國內(nèi)起落架用超高強(qiáng)度鋼主要有30CrMnSiNi2A,40CrMnSiMoVA(GC-4),40CrNi2Si2MoVA(300M)等.由于30CrMnSiNi2A 鋼的抗拉強(qiáng)度為1570~1765 MPa,落震試驗(yàn)時(shí),研制的飛機(jī)起落架在較低壽命下就出現(xiàn)了焊縫裂紋、螺紋斷裂、護(hù)板接頭疲勞裂紋等缺陷.GC-4 鋼的抗拉強(qiáng)度為1800~2100MPa,用其研制的起落架上出現(xiàn)了點(diǎn)狀缺陷、硫化物夾雜、粗晶、內(nèi)部裂紋、焊縫缺陷、熱處理滲氫等問題,這些問題影響著起落架的壽命和可靠性.

    超高強(qiáng)度鋼對腐蝕疲勞及應(yīng)力腐蝕開裂非常敏感，因此是超高強(qiáng)度鋼的兩種主要失效方式.應(yīng)力腐蝕開裂是造成高強(qiáng)度鋼故障的重要原因。

    應(yīng)力腐蝕斷裂過程可分為三個(gè)階段:

    --萌生階段;

    --裂紋擴(kuò)展階段;

    --失穩(wěn)斷裂階段.

    應(yīng)力腐蝕的機(jī)理主要有陽極溶解理論和氫致開裂理論.

    劉道新等研究了帶鍍層300M 鋼應(yīng)力腐蝕開裂行為的機(jī)理,發(fā)現(xiàn)電鍍Cr,Cr-Ti 鍍層均使300M 鋼應(yīng)力腐蝕開裂敏感性增加.陰極鍍層加速的電偶腐蝕對鍍Cr 300M 鋼的應(yīng)力腐蝕開裂過程有明顯的促進(jìn)作用;陽極鍍層促進(jìn)氫致開裂,是鍍Cr-Ti 及鍍Al 300M 鋼應(yīng)力腐蝕開裂的失效機(jī)制.

    300M 鋼的應(yīng)力腐蝕為沿晶開裂模式,裂紋源于表面開始的腐蝕部位并向內(nèi)部擴(kuò)展.裂紋斷口的形貌,宏觀上屬于脆性斷裂,即使塑性很高的材料也是如此.從微觀上觀察,在斷裂面上仍有塑性流便痕跡,斷面有裂紋分叉現(xiàn)象,斷口形貌呈海灘條紋、羽毛狀、扇子形等癥狀.裂紋方向宏觀上和主拉伸應(yīng)力的方向垂直,微觀上略有偏移.

    二、 300M鋼應(yīng)力腐蝕因素分析

飛機(jī)起落架

    影響金屬材料應(yīng)力腐蝕性能的因素很多,包括力學(xué)因素、環(huán)境因素及金屬學(xué)因素.當(dāng)合金體系確定以后,應(yīng)力與環(huán)境成為應(yīng)力腐蝕的兩個(gè)主要方面.

    3.1  300M 鋼的抗應(yīng)力腐蝕特性

    300M 鋼超高強(qiáng)度鋼顯微組織以片狀馬氏體結(jié)構(gòu)為主,同時(shí)存在孿晶馬氏體及沉積于片狀馬氏體間的脆性滲碳體.孿晶馬氏體導(dǎo)致局部高應(yīng)力并限制位錯(cuò)移動(dòng),滲碳體構(gòu)成氫致開裂敏感途徑.因此,300M超高強(qiáng)度鋼在外加應(yīng)力與環(huán)境介質(zhì)的共同作用下,陽極溶解與氫致開裂過程均易進(jìn)行.

    元素的化學(xué)作用可以影響材料的耐蝕性,隨著金屬強(qiáng)度的升高,抗應(yīng)力腐蝕性能明顯降低.提高鋼中的Ni,C,Si 等元素含量可提高超高強(qiáng)度鋼的應(yīng)力腐蝕性能,而N,P,Ti 等元素卻會(huì)降低其耐應(yīng)力腐蝕能力.

    金屬材料的屈服強(qiáng)度會(huì)影響金屬內(nèi)氫擴(kuò)散的過程和速度,隨著屈服強(qiáng)度的提高,裂尖前緣氫聚集的速率加快,從而使氫致開裂速率增大.李繼欣等[4]測定了300M 超高強(qiáng)度鋼在蒸餾水和3.5%NaCl 水溶液中的應(yīng)力腐蝕斷裂性能,結(jié)果表明,當(dāng)抗拉強(qiáng)度為2020 MPa,相對于1915 MPa 時(shí),其斷裂韌性臨界值下降17.8%,抗應(yīng)力腐蝕性能明顯降低.

    3.2  影響應(yīng)力腐蝕的環(huán)境因素

    300M鋼的應(yīng)力腐蝕敏感性取決于環(huán)境,在海洋大氣環(huán)境下具有較高的應(yīng)力腐蝕敏感性.影響應(yīng)力腐蝕的環(huán)境因素主要包括腐蝕介質(zhì)和介質(zhì)溫度.當(dāng)溶液電位超過一定值時(shí),就發(fā)生破裂.溶液中的Cl 離子的存在容易造成300M 鋼表面鈍化膜破壞,并協(xié)同拉應(yīng)力促進(jìn)鋼表面膜的局部破壞,形成大陰極(鈍化膜)-小陽極(鋼基)腐蝕電偶,從而促進(jìn)應(yīng)力腐蝕開裂敏感性.

    3.3   影響應(yīng)力腐蝕的應(yīng)力因素

    引起超高強(qiáng)度鋼應(yīng)力腐蝕開裂的應(yīng)力主要是在淬火、焊接、扭轉(zhuǎn)、拉伸和配合等過程中產(chǎn)生的.應(yīng)力腐蝕開裂主要發(fā)生在應(yīng)力集中部位.應(yīng)力主要來源于設(shè)備或部件在工作條件下的外載荷,另外還包括材料在生產(chǎn)制造或者加工過程中殘留的應(yīng)力.應(yīng)力的主要作用是引起合金塑性變形,使裂紋尖端表面膜破裂、滑移臺(tái)階露頭,裂紋尖端活性增加,引起局部腐蝕;同時(shí)使微裂紋向縱深擴(kuò)展,新鮮電解液不斷地流入,促進(jìn)了裂紋尖端腐蝕過程的持續(xù)進(jìn)行.如果不存在靜拉伸應(yīng)力,即使有敏感的合金與特定的介質(zhì)配合,應(yīng)力腐蝕同樣不會(huì)出現(xiàn),壓應(yīng)力是不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂的.

    三、  300M超高強(qiáng)度鋼應(yīng)力腐蝕防護(hù)措施

飛機(jī)

    通過對超高強(qiáng)度鋼應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生的原因分析,針對起落架用300M 超高強(qiáng)度鋼的抗應(yīng)力腐蝕能力提升,應(yīng)主要從材料、環(huán)境、拉伸應(yīng)力方面制定防護(hù)措施.同時(shí)對起落架的使用維護(hù)和維修進(jìn)行完善.

    4.1 改變材料的制造工藝

    超高強(qiáng)度鋼對氫脆很敏感,采用空氣爐或甲醇裂化爐熱處理都存在滲氫、零件表面氧化脫碳等問題,而表面脫碳會(huì)降低疲勞強(qiáng)度.

    300M 鋼采用真空熱處理技術(shù),避免了滲氫,零件表面光亮,無氧化脫碳、增碳和晶界氧化等缺陷,提高了零件的表面質(zhì)量.控制S 含量和硫化物,獲取高純度300M 超高強(qiáng)度鋼,提高在腐蝕環(huán)境中的疲勞裂紋擴(kuò)展速率.

    通過改進(jìn)熱處理工藝,降低板條束尺寸,從而降低邊界裂紋的平均自由程,以改變抗氫脆能力;設(shè)法阻止氫在板條界的聚集,改變板條邊界對氫脆的阻力;減少孿晶馬氏體量,并設(shè)法在馬氏體間均勻地分布一層穩(wěn)定的殘余奧氏體薄膜,提高抗應(yīng)力腐蝕開裂能力.

    4.2 改變表面的應(yīng)力狀態(tài)

    通過"無應(yīng)力集中"抗疲勞概念設(shè)計(jì),降低零件的應(yīng)力集中水平,通過增加過渡圓角,強(qiáng)化薄弱環(huán)節(jié)等措施,提高材料的抗疲勞特性.同時(shí)控制機(jī)械加工,尤其是控制磨削及其他精加工,保證其表面完整性.

    通過表面強(qiáng)化技術(shù),改變零件的表面應(yīng)力場,如噴丸強(qiáng)化、孔擠壓強(qiáng)化、螺紋滾壓強(qiáng)化等手段.噴丸強(qiáng)化能非常有效地改善金屬零件疲勞斷裂和應(yīng)力腐蝕斷裂抗力,通過合適的噴丸工藝強(qiáng)化后,可以使300M 鋼因電鍍、表面脫碳和表面粗糙等造成的疲勞降低得到恢復(fù).

    電鍍后表面的拉應(yīng)力高達(dá)600 MPa,應(yīng)力場的深度約為0.08 mm,而噴丸后電鍍,表面的拉應(yīng)力深度為0.02~0.03 mm,在鍍層與基體過渡區(qū)則為壓應(yīng)力,在基體上還存在較大的壓應(yīng)力場,深度可達(dá)0.3 mm,可有效降低零件表面的拉應(yīng)力影響,提高零件的抗應(yīng)力腐蝕能力.同樣,通過孔擠壓強(qiáng)化、螺紋滾壓強(qiáng)化均能改變零件表面的應(yīng)力場,由拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力,有效提高疲勞強(qiáng)度和抗應(yīng)力腐蝕能力.

    4.3 表面防護(hù)技術(shù)

    通過在金屬表面涂覆耐蝕涂料或鍍覆耐蝕金屬或合金,將金屬與環(huán)境介質(zhì)隔離起來,可有效提高金屬的抗腐蝕能力.

    1)低氫脆電鍍防護(hù).低氫脆鍍鎘-鈦代替?zhèn)鹘y(tǒng)的磷化用于高強(qiáng)度鋼的表面防護(hù),有效地隔離了應(yīng)力腐蝕介質(zhì),極大地提高了零件的耐蝕性.起落架尺寸較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,導(dǎo)致在電鍍時(shí)出現(xiàn)防護(hù)的"真空部位".采用低氫脆刷鍍鎘工藝,是低氫脆鍍鎘-鈦和低氫脆鍍鎘(松孔鍍鎘)的配套工藝,保證了零件防護(hù)表面的完整性.同時(shí),在鍍層上噴涂底漆和面漆,能夠有效地保護(hù)基體不受外部環(huán)境的影響.

    2)熱噴涂防護(hù).由于常用的表面處理方法在電鍍過程中引入的氫容易引起氫脆,通過熱噴涂WC 涂層的方法,明顯提高了材料的耐蝕性.周克崧等[12]采用電化學(xué)的方法研究300M 鋼及其表面WC 涂層在3.5%NaCl 水溶液中的腐蝕性為,所測的電化學(xué)極化曲線如圖2 所示.300M 鋼基體的腐蝕電位最低,經(jīng)WC-17Co 和WC-10Co4Cr 涂層處理后,腐蝕電位明顯升高.熱噴涂涂層有良好的硬度及耐磨性,此防護(hù)技術(shù)可用于零件運(yùn)動(dòng)摩擦部位的防護(hù).

    4.4 起落架的使用維護(hù)及維修

    起落架長期暴露在外界環(huán)境中,其應(yīng)力腐蝕和氫致開裂的傾向性增加,因此在起落架的使用維護(hù)過程中,需要對零件采取嚴(yán)密的防護(hù)措施,以提高起落架零件的使用壽命.通過對起落架的表面完整性進(jìn)行監(jiān)控,利用刷鍍鎘或補(bǔ)漆的方式保證表面防護(hù)層的完整性,實(shí)現(xiàn)與應(yīng)力腐蝕環(huán)境的物理隔離.

    零件在表面處理、裝配、使用、分解等過程中均會(huì)有殘余應(yīng)力產(chǎn)生,同時(shí)起落架經(jīng)過長時(shí)間使用,也存在內(nèi)部的殘余應(yīng)力.在起落架維修時(shí),應(yīng)先釋放應(yīng)力,降低起落架本身的應(yīng)力水平,對應(yīng)力集中區(qū)及疲勞關(guān)鍵區(qū)進(jìn)行無損檢測,提前發(fā)現(xiàn)表面微裂紋,并對起落架的熱損傷進(jìn)行檢測.

    零件的表面缺陷會(huì)引起應(yīng)力集中,是應(yīng)力腐蝕的誘因,維修過程中嚴(yán)格控制起落架的外部缺陷,修復(fù)起落架表面損傷,并重新恢復(fù)零件表面防護(hù)層,以保證起落架在壽命期內(nèi)的抗應(yīng)力腐蝕能力和可靠性.同時(shí)要嚴(yán)格控制過程,防止過程中產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的影響因素,如碰傷、機(jī)械加工、敲擊、氫脆等.所有過程中禁止接觸酸性物質(zhì),以防產(chǎn)生氫脆.

    延生閱讀

    應(yīng)力腐蝕的機(jī)理主要有陽極溶解理論和氫致開裂理論.

    陽極溶解理論認(rèn)為:在應(yīng)力腐蝕環(huán)境中,金屬被鈍化膜覆蓋,不與腐蝕介質(zhì)直接接觸,鈍化膜在拉應(yīng)力的作用下產(chǎn)生滑移,使鈍化膜破裂,形成蝕孔和裂紋源.金屬內(nèi)部產(chǎn)生了一條狹窄的活性通道,隨后在拉應(yīng)力的作用下,活性通道前端的鈍化膜反復(fù)破裂,產(chǎn)生裂紋,裂紋沿著垂直于拉應(yīng)力作用的方向前進(jìn),只有鈍化膜受局部破壞后,裂紋才能形核,并在應(yīng)力作用下,裂紋尖端沿某一擇優(yōu)路徑定向溶解,導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展,最終發(fā)生斷裂.

    氫致開裂理論涉及氫離子的遷移,氫離子放電.吸附在金屬表面的一部分氫離子復(fù)合成分子,并以氫氣的形式逸出;另一部分氫原子變成溶解型吸附原子,然后吸附成為溶解在金屬中的原子氫,并通過擴(kuò)散進(jìn)入金屬內(nèi)部,在應(yīng)力的作用下它們富集在應(yīng)力集中區(qū),導(dǎo)致材料的低應(yīng)力脆斷.超高強(qiáng)度鋼對氫脆非常敏感,無論是材料內(nèi)部的氫還是環(huán)境中來的外氫.

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