衬套裂纹分析与研究

郭海龙

摘要：本论文对开裂衬套和另一侧完好衬套进行了外观对比观察，对衬套断口进行了宏观、微观观察，检查了故障衬套并与完好衬套、进行了对比。分析了衬套失效的原因，壳体衬套裂纹原因可能与衬套内外壁应力分布及系统所受异常受力有关。

关键词：发附壳体，衬套开裂，疲劳

1 概述

本论文对开裂衬套和另一侧完好衬套进行了外观对比观察，吊耳材质为TC11钛合金，衬套材质为2A12铝合金，衬套内壁表面进行硬质阳极化处理。对衬套和吊耳断口进行了宏、微观观察，检查了故障衬套、吊耳的材质，并与完好衬套、吊耳材质进行对比，得出故障性质，分析了故障原因。

2 试验过程

观察衬套外壁上下两侧与壳体接触面可见疑似塑性变形及表面“褶皱”现象，而中间的壳体油槽对应位置表面为加工表面，可见周向加工刀痕，局部可见棕黄色油污。

对比支撑同一齿轮轴的另一侧的完好衬套内外壁表面形貌。内壁表面硬质阳极化层存在轻微的磨损，未见像故障衬套裂纹处磨光的现象，外壁表面颜色和故障衬套一致，除壳体油槽对应位置处有棕绿色油污外，外壁表面呈银白色，未见阳极化层。进一步观察，外壁上下侧与壳体接触面未见类似故障衬套外壁出现的疑似塑性变形及表面“褶皱”现象，机加痕迹依稀可见，此外，壳体油槽对应位置处的表面特征和故障衬套外壁壳体油槽对应位置表面特征也有所差异，完好衬套外壁壳体油槽对应位置处可见膜状凹坑，而故障衬套外壁壳体油槽对应位置为原始加工刀痕。

衬套周向开裂形成浅U型弧型断口，在U型底部一段断口上可见多个弧形台阶面，每个扩展台阶可见从外壁表面起始的扩展棱线，从外壁表面看U型底部一段均在外壁壳体油槽对应位置区域，因此可知断裂起始于外壁壳体油槽对应位置表面。每个源区呈现小线源特征，源区未见冶金缺陷。台阶间可见明显的分界，扩展区疲劳条带细密。由此可知，衬套周向开裂断口性质为沿外壁壳体油槽对应位置多处线性起源的疲劳开裂。

故障衬套分解后送检时轴向裂纹已贯穿整个轴向且完全断开，断面断裂细节平齐且发亮，类似相互挤压磨损开裂特征，微观可见磨损+韧窝特征。因此可知衬套轴向断口为后期损伤。

故障衬套和另一侧完好衬套内壁表面均硬质阳极化处理，外壁表面未进行阳极化处理。故障轴衬外壁上下侧与壳体接触面宏观可见塑性变形，微观上可见一些塑性条纹和挤压微坑，而在完好衬套的上下侧与壳体接触面上则未见明显的塑性变形痕迹。此外，两个衬套壳体油槽对应位置表面特征还有所差异，故障衬套表面为原始的机加表面，而完好衬套壳体油槽对应位置表面则为凹坑密集分布的膜状表面。

在故障衬套开裂附近截取截面制备金相试样进行金相组织观察，并与完好衬套进行对比。可知故障衬套和完好衬套金相组织无明显差异，组织未见异常。两者显微硬度进行检测，故障衬套和完好衬套硬度无明显差异。

3. 分析

衬套裂纹周向开裂断口平坦，可见多个弧形扩展台阶，扩展区微观可见疲劳条带，可知衬套周向断裂性质为疲劳断裂。衬套周向疲劳裂纹起源于衬套外壁表面壳体油槽对应位置处，呈多个小线源特征，源区未见冶金缺陷。

衬套出现疲劳失效，与这一侧的受力有关，可能的故障过程及原因有三种：

失效的衬套用以支撑完成发动机的起动功率输入齿轮轴，是完成发动机起动功率输出的主要承力位置，壳体载荷和受力异常可能导致这侧的相关承力件（衬套和吊耳）疲劳失效，建议对壳体和齿轮轴系统的受力进行分析。

从衬套起源位置看，衬套裂纹起源于衬套外表面而并非硬质阳极化表面，因此裂纹起源应与衬套硬质阳极化处理无直接关系。然而衬套内壁表面经过硬质阳极化处理后表面硬度得到了明显的提高，但其外壁（与壳体过盈配合）未进行普通硬质化处理，两者硬度相差较大，可能对内外壁接触状态受力会有影响，内壁（硬质高一侧）的应力可能会传递到外壁（硬度低一侧），尤其在过盈配合状态下，事实上观察衬套内外壁形貌，外壁与壳体过盈配合面上确实存在不同程度的挤压磨损，尤其是故障衬套外壁，出现明显的挤压塑性变形。起源位置位于衬套外壁的壳体油槽对应位置处，壳体油槽对应位置位置与壳体并非直接接触，但壳体油槽对应位置上下两侧的衬套外壁则与壳体过盈配合，当上下两侧的过盈配合面上出现较大的挤压磨损，可能导致衬套中间壳体油槽对应位置处存在异常受力（两侧配合磨损，可能导致中间壳体油槽对应位置部位出现拉应力），甚至导致振动。

此外对比故障衬套和另一侧完好衬套其特征上有以下几处差别：

（1）故障衬套裂纹处内壁表面硬质阳极化层完全磨光，而完好衬套内壁表面轻微磨损，阳极化层轻微脱落；

（2）故障衬套外壁表面上下侧与壳体过盈配合面上出现明显的塑性变形条纹和微坑，而完好轴承外壁表面塑性变形较不明显；

（3）故障轴承外壁表面壳体油槽对应位置（裂纹起始处）为原始的机加痕迹，而完好轴承外壁表面则为凹坑密集分布的膜状表面。衬套内壁硬质阳极化层磨损差异以及外壁上下侧与壳体过盈配合面的磨损差异应与衬套的受力有关，也即进一步反映了故障衬套的异常受力。而外壁壳体油槽对应位置并非配合接触面，因此其特征差异可能与原始成形状态，表面特征的差异对故障的影响建议进一步分析。

4 结论

（1）衬套裂纹性质为疲劳裂纹，裂纹起始于外壁壳体油槽对应位置表面，呈多个小线源特征，源区未见冶金缺陷；

（2）壳体衬套裂纹原因可能与衬套内外壁应力分布及系统所受异常受力有关

参考文献

[1] 钟群鹏.金属断口宏观特征形态与力学参量之间的定量关系.兵器材料与力学，1984（1）：2～10

[2] 苏锡久，陈鹦主编.金属材料断口分析及图谱.北京：科学出版社，1993

[3] 上海交通大学《金属断口分析》编写组.金属断口分析，北京：国防工业出版社，1979