输出轴鼠笼方柱裂纹原因分析

输出轴鼠笼方柱裂纹原因分析

周鹏程 林媛媛 肖颖 唐双凤 秦晓华

中国航发南方工业有限公司材料工程应用研究室，湖南株洲 412002

[摘 要]某发动机进行低循环试验，发现输出轴鼠笼方柱存在穿透性裂纹。本文通过对故障件的断口和金相分析，判断鼠笼方柱失效模式为高周疲劳断裂。通过对故障件裂纹起始部位表面加工痕迹分析和参考国外同类零件表面形貌及残余应力分析，认为输出轴鼠笼方柱在低循环试验条件下出现疲劳开裂与较粗糙的加工刀痕导致的应力集中有关。并提出对鼠笼方柱进行喷丸强化的改进措施，经验证有效。

[关键词]鼠笼方柱；高周疲劳；加工刀痕；应力集中；喷丸强化

0 引言

输出轴作为发动机向飞机输出功率的重要部件。输出轴的功用是将发动机输出功率传递给直升机主减，以带动直升机旋翼。改变旋翼转速一般通过改变输出轴转速实现^[1]。

某发动机在完成1500次低循环试验后，下台分解检查后发现，输出轴鼠笼部位一根方柱存在穿透性裂纹。输出轴材料牌号为16Ni3CrMoE。鼠笼部位经机加成型。

本文从故障件外观检查、断口分析、成分分析、金相检查及国外同类零件表面形貌及残余应力分析^[2]，确定了裂纹性质及产生裂纹的原因，并提出相应改进措施。

1 试验结果

2.1 外观检查及断口观察

对输出轴进行外观检查，鼠笼部位共有9根方柱，其中一根方柱（如图箭头所指部位）距转接R约1.5mm处存在穿透性裂纹，裂纹部位未见明显塑性变形及异常挤压痕迹。两侧可见与裂纹垂直的机加痕迹，见图1a、图1b。

将裂纹人工打开并超声清洗后进行断口分析，断面平坦呈浅棕色，呈疲劳特征，疲劳起始于鼠笼方柱侧面距外圆面约0.85mm处，为点源，扩展区可见疲劳弧线。源区机加痕迹明显，未见冶金缺陷，扩展区可见细密的疲劳条带，条带间距＜1µm，图1c~图1e。

图1 零件外观及断口形貌

2.2 材质分析

在输出轴断口附近取样进行化学定量分析，符合16Ni3CrMoE相关技术条件要求。

在输出轴鼠笼裂纹附近取试样进行金相检查：脆性、塑性夹杂均为0.5级，表面无脱碳现象，显微组织正常，为板条马氏体，晶粒度为7～8级。

在输出轴鼠笼裂纹附近取试样进行硬度检查，硬度为:43.0HRC、43.3HRC、43.0HRC（设计要求：35~44HRC）。

2.3 鼠笼部位残余应力检查

对故障件鼠笼部位进行残余应力检查，该部位预留压应力小且不均匀，局部甚至存在拉应力。

2.4 国外同类零件鼠笼部位对比分析

2.4.1 外观检查

鼠笼部位（包括鼠笼方柱）表面较为粗糙，有手感，未见机加痕迹，局部放大后观察，该部位可见尺寸约为0.10～0.15mm的丸坑，为喷丸处理。

2.4.2 材质分析

在国外同类零件鼠笼部位取样进行化学成分分析，为9310材料。

在输出轴鼠笼取试样进行金相检查：脆性、塑性非金属夹杂均为0.5级，表面无脱碳现象，显微组织为板条马氏体，晶粒度为8级。

输出轴鼠笼心部硬度为：42.4HRC、43.0HRC、43.0HRC

2.4.3 鼠笼部位检测

（1）鼠笼表面微观形貌：鼠笼方柱内外圆及左右两侧均可见明显的喷丸痕迹，丸坑尺寸为0.10～0.15mm。

（2）表面应力：在鼠笼方柱外圆、内圆及侧面各取4点沿轴向及切向进行表面残余应力检测。该部位表面（外圆、内圆及侧面）均存在残余压应力，且压应力较均匀，约为400MPa。

（3）应力场分布：在鼠笼方柱侧面取2点，在鼠笼方柱侧面转接R取一点，沿轴向及切向进行残余应力场检测（测试方法为剥层法）。三点表面均呈压应力，且在表面形成一定厚度的压应力场，压应力场厚度为0.35～0.71mm。

3 分析讨论

（1）鼠笼方柱断裂性质分析：经宏观及微观断口分析结果可知，输出轴鼠笼方柱宏观断面平坦呈浅棕色，呈疲劳特征，疲劳起始于鼠笼方柱侧面，扩展区可见疲劳弧线，瞬断区较小。微观扩展区可见细密的疲劳条带，条带间距＜1µm，由此判定鼠笼方柱断裂性为高周疲劳断裂^[3]。

（2）断裂原因分析：经国外同类零件解剖分析结果可知，输出轴所用材料为16Ni3CrMoE，而国外同类零件所用材料为9310，两者强度差异不大。而国外同类零件鼠笼方柱部位经喷丸处理，经残余应力测试，鼠笼方柱部位均存在压应力。通过喷丸处理，使鼠笼方柱部位表面形成一定厚度的强化层，强化层内形成较高的残余压应力，从而提高鼠笼方柱的抗疲劳性能^[4-6]。且经检查可知，故障输出轴鼠笼方柱部位表面预留压应力小且不均匀，局部甚至存在拉应力。且机加痕迹较粗糙，造成较大的应力集中，抗疲劳破坏的能力差，对疲劳裂纹萌生起到促进作用^[7-8]。

综合以上讨论，某型发动机输出轴鼠笼方柱疲劳断裂与其表面预留压应力小且不均匀，局部甚至存在拉应力。且机加痕迹较粗糙，造成较大的应力集中，对疲劳裂纹萌生起到促进作用。

4 结论

（1）某型发动机输出轴化学成分及鼠笼部位成型工艺与国外同类零件存在差异。输出轴所用材料为16Ni3CrMoE，鼠笼部位铣制成型。国外同类零件所用材料为9310，鼠笼部位经喷丸处理。

（2）某型发动机输出轴鼠笼方柱断裂性质为高周疲劳断裂，断裂与表面存在较粗糙的加工刀痕导致的应力集中有关。

5 建议

（1）建议提高输出轴鼠笼部位的加工精度。

（2）建议对后续生产的输出轴鼠笼部位进行喷丸处理，进而提高鼠笼方柱的疲劳强度。

参考文献

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[2]陶春虎,钟群鹏,颜鸣皋.机械失效分析发展的战略思考[J].理化检测—物理分册,2000.36(4):167-170.

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[4]张洪伟,张以都,等. 喷丸强化残余应力场三维数值分析[J].航空动力学报,2010.25(3):603.

[5]栾伟玲,涂善东.喷丸表面改性技术的研究进展[J].中国机械工程.2005,16(15):1405-1409.

[6]李占明,朱有利,黄元林,等.喷丸强化后30CrMnSiNi2A钢表面完整性对其抗疲劳性能的影响[J].中国表面工程,2012.25(5);85-89.

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周鹏程18073365691湖南省株洲市芦淞区董家塅南方公司理化检测中心（2本）