Введение

Конструкционные легированные стали, такие как 30ХГСА и 30ХГСН2А, применяются при изготовлении изделий, работающих под нагрузкой. Из этих сталей изготавливают шестерни, зубчатые валы, рычаги, оси, шпильки, пальцы, фланцы, валики и другие ответственные детали [1, 2].

Химический состав сталей 30ХГСА и 30ХГСН2А регламентируется ГОСТ 4543–2016. Улучшаемая среднелегированная сталь 30ХГСА (хромансиль) широко применяется при изготовлении сварных и механически обработанных деталей, работающих в атмосферных условиях и при температурах не ниже –70 °С. Верхний предел рабочих температур напрямую зависит от температуры отпуска либо изотермической закалки, а также от наличия защиты от коррозии и температурного интервала ее работоспособности. Благодаря высокому содержанию углерода данная сталь отличается прочностью и устойчивостью к нагрузкам, что объясняет ее широкое применение в машиностроении, строительной и авиационной отраслях. При этом уровень пластичности позволяет применять штамповку и ковку для ее обработки, а в отожженном состоянии сталь поддается резанию и механической обработке поверхности [3].

Добавки хрома отвечают за повышение коррозионной стойкости, жаропрочности, сопротивления абразивному износу, а также улучшают закаливаемость. При этом небольшое содержание хрома (0,8–1,1 %) не позволяет отнести сталь к категории коррозионностойких. При эксплуатации в условиях повышенной влажности на поверхности незащищенных деталей будет образовываться оксид железа (ржавчина). Для повышения коррозионной стойкости детали из стали 30ХГСА эксплуатируют после нанесения защитных гальванических покрытий на основе цинка и хрома.

Благодаря наличию марганца в составе стали снижается содержание вредных примесей, уменьшается риск образования трещин и окалины во время термообработки. Марганец также способствует увеличению свариваемости и общей пластичности стали. При проведении термообработки сталь нагревают до температуры 870 °С с последующим быстрым охлаждением в воде или масле. Возникающие при этом закалочные напряжения снимают за счет применения высокого отпуска – нагрева до температур 540–560 °С, что также повышает упругие свойства стали [4].

Высокопрочная среднелегированная сталь 30ХГСН2А используется при изготовлении наиболее ответственных (в том числе сварных) деталей крыла, шасси и центроплана, работающих на срез и растяжение при температурах до 250 °С. Сваривается ручной, электронно-лучевой и автоматической сваркой в среде защитных газов. При этом обязательно размещение сварных швов вне зон концентраторов напряжений, предусмотренных в чертежах [1, 5].

Наличие никеля повышает коррозионную стойкость, прочность, пластичность и прокаливаемость. Добавки никеля увеличивают сопротивление усталости без уменьшения пластичности, что объясняет его наличие в сталях, применяемых при изготовлении нагруженных деталей.

Механическую обработку высокопрочных сталей проводят до закалки, так как наилучшая обрабатываемость резанием достигается после того, как сталь подвергли низкотемпературному отжигу (при температурах 680–700 °С) с быстрым охлаждением на воздухе. Итоговую чистовую обработку проводят уже после полного цикла термической обработки. При этом следует соблюдать режимы, обеспечивающие отсутствие прижогов на поверхности. Сталь чувствительна к концентраторам напряжений, в связи с чем с поверхности деталей необходимо удалять заусенцы и окалину. В зонах концентрации напряжений параметр шероховатости поверхности R_a не должен превышать значения 1,6 мкм [6, 7].

Несмотря на широкое использование среднелегированных сталей в различных отраслях благодаря их универсальности, существует необходимость разрабатывать и применять специализированные высоколегированные стали, отвечающие более жестким требованиям [8, 9]. Это стали с повышенным уровнем устойчивости к истиранию и прочности, жаростойкостью и сопротивлением к воздействию агрессивных сред. Добавление даже таких доступных элементов, как азот, заметно улучшает свойства стали, а добавки редкоземельных элементов позволяют добиться уникальных характеристик (повышенная твердость и тугоплавкость) [10].

Методики неразрушающего контроля широко востребованы на этапах предэксплуатационного контроля, периодических профилактических осмотров и аварийных исследований, так как позволяют оценить состояние детали, не нанося повреждений, несовместимых с дальнейшей эксплуатацией. Магнитопорошковый и люминесцентный методы контроля применяют для выявления различных поверхностных дефектов, таких как трещины, питтинги, а также дефектов, расположенных под поверхностью и обладающих повышенными внутренними напряжениями [11].

Для оценки работоспособности, ресурса и несущей способности материала проверяют механические свойства. Испытания на растяжение, ударный изгиб, длительную прочность и усталость являются информативными для оценки состояния материала [12–14], но в случае малых размеров детали не всегда удается провести полную оценку механических свойств. В этом случае на помощь приходят малоинвазивные методы исследования, например измерение твердости. Индентирование поверхности изделия позволяет, не нанося существенных повреждений, оценить механические свойства благодаря зависимостям, связывающим характеристики прочности и пластичности с твердостью материала [15].

Стабильная работа узлов и механизмов зависит не только от выбранного материала, но и от качества изготовления, сборки и установки деталей. Важно, чтобы не было нарушений на всех этапах: от выбора марки стали до ее термо- и механической обработки, монтажа и условий эксплуатации. В случае возникновения эксплуатационных разрушений методы оптической и электронной микроскопии широко применяются для выявления причин аварий [16].

Комплексный анализ разрушенных деталей должен включать неразрушающий контроль, определение химического состава, металлографические и фрактографические исследования, проверку механических свойств. Всестороннее исследование позволяет установить причины разрушения и принять комплекс мер, направленных на предотвращение подобных ситуаций в дальнейшем [17, 18].

В данной статье рассмотрены дефекты в конструкционных сталях и результаты комплексных исследований, проведенных с применением различных методик.

полученные результаты исследований являются продуктом деятельности АО «ОДК».

Материалы и методы

При установлении причин разрушения деталей из конструкционных сталей проведены внешний осмотр и фотосъемка, анализ сопроводительной технической документации, фрактографический анализ мест разрушения и вскрытых вторичных трещин, анализ химического состава для подтверждения марок сталей. Проведен неразрушающий контроль, электронно-зондовый микроанализ и исследования с использованием металлографических методов.

Микроструктуру анализировали с применением оптического конфокального микроскопа высокого разрешения. Фрактографический анализ проводили с использованием растрового электронного микроскопа с приставкой для энергодисперсионного анализа в соответствии с ГОСТ Р ИСО 22309–2015.

Анализ химического состава деталей проводили спектральным атомно-абсорбционным методом в соответствии с требованиями ГОСТ 28473–90. Содержание углерода определяли методом инфракрасной спектроскопии на кулонометрической установке согласно ГОСТ 12344–2003.

Подготовку шлифов осуществляли с применением металлографического комплекса. Микроструктуру выявляли методами электролитического травления либо травлением в 4%-ном спиртовом растворе азотной кислоты в соответствии с ГОСТ 8233–56.

Магнитопорошковая дефектоскопия проведена с применением специализированного контролирующего комплекса согласно ГОСТ Р 56512–2015.

Твердость деталей определяли методами Виккерса (ГОСТ 2999–75) и Роквелла (ГОСТ 9013–59).

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Результаты и обсуждение

Исследование причин разрушения рессоры

основной опоры шасси из стали 30ХГСН2А-ВД

Разрушение рессоры основной опоры шасси (рис. 1) произошло на расстоянии ~400 мм от точки пересечения оси рессоры и полуоси установки колеса. Вид излома показан на рис. 1, а. Конструктивно рессора представляет собой трубу Ø50 мм, длиной 1500 мм и толщиной стенки 4 мм. При осмотре демонтированной рессоры на наружной поверхности на расстоянии 80–100 мм от входа в шаровую опору фюзеляжа обнаружена несквозная трещина протяженностью ~12 мм (рис. 1, б). Следует отметить, что первичное разрушение развивалось от внутренней поверхности рессоры, в то время как вторичная трещина – от наружной.

Рис. 1. Макростроение излома рессоры: а – первичная трещина; б – вскрытая вторичная трещина; в – вид излома, образованного первичной трещиной. Стрелками отмечены очаги разрушения

Согласно требованиям технической документации, рессора должна изготавливаться из трубы размером 63,5×14 мм из стали 30ХГСН2А-ВД (ТУ 14-3-674–78) и термически обрабатываться на прочность 1400–1600 МПа с применением изотермической закалки. Исследованная рессора изготовлена из прутка, отверстие Ø50 мм выполнено сверлением.

Определение химического состава материала рессоры

Данные химического анализа материала рессоры подтвердили соответствие требованиям ГОСТ 5632–2014. Результаты химического анализа материала рессоры приведены в табл. 1.

Таблица 1

Химический состав материала рессоры из стали 30ХГСН2А-ВД

Фрактографический анализ

Макроанализ излома рессоры показал, что разрушение усталостное, многоочаговое, развивалось от внутренней поверхности, где наблюдаются следы грунта и грубые риски от сверления. Очаги разрушения расположены на одной из грубых рисок от механической обработки (рис. 1, в).

Результаты анализа излома на электронном микроскопе подтвердили усталостный характер разрушения. В очагах разрушения наблюдается межзеренный излом. В доломе, расположенном вблизи наружной поверхности, также отмечены участки с межзеренным изломом.

Анализ излома вскрытой трещины, развивавшейся с наружной поверхности, показал, что она имеет меньшую глубину развития, в усталостной зоне излом визуально более шероховатый, чем в месте полного разрушения. Меньшая площадь и более выраженная шероховатость указывают на вторичность этой усталостной трещины. На наружной поверхности рессоры наблюдаются следы пескоструйной обработки. Очаги разрушения, как правило, связаны с наиболее глубокими вмятинами от пескоструйной обработки.

Металлографический анализ и оценка твердости

Установлено, что деталь термически обработана на прочность 1700–1850 МПа (48,5–50 НRС, 530–540 НV) [19]. Структура стали – мартенсит, следов пережога и перегрева не наблюдается (рис. 2). Величина зерна соответствует 7 баллу шкалы ГОСТ 5639–82. Загрязненность неметаллическими включениями по сульфидам и оксидам соответствует 3–4 и 2–3 баллу соответственно (ГОСТ 1778–2022).

В зоне основного разрушения на внутренней и внешней поверхностях наблюдается обезуглероженный слой (рис. 3). Общая глубина обезуглероживания (ферритного слоя и зоны частичного обезуглероживания) по ГОСТ 1763–68 составляет ~0,4 мм. В соответствии с чертежом, при изготовлении рессор на внутренней поверхности допускается наличие окалины. Следует отметить, что наличие обезуглероженного слоя снижает сопротивление усталости вследствие ослабления границ зерен (прочность ферритного слоя составляет 700–900 МПа).

Рис. 2. Микроструктура (×320) стали 30ХГСН2А-ВД в области основного разрушения

Рис. 3. Обезуглероженный слой на внутренней поверхности рессор в месте основного разрушения (×500)

При анализе микроструктуры на внутренней поверхности рессоры в зоне основного разрушения выявлено много трещин, параллельных излому. Вдоль кромки трещин во всех случаях наблюдается окисленный слой. При визуальной оценке шероховатость наружной поверхности значительно больше, чем шероховатость внутренней.

В месте расположения несквозной усталостной трещины на наружной поверхности обезуглероженный слой практически отсутствует, но присутствует на внутренней поверхности. Это связано с тем, что на внешней поверхности проведены механическая и пескоструйная обработки, в то время как на внутренней поверхности пескоструйная обработка не осуществлена. Со стороны наружной поверхности выявлена трещина, перпендикулярная поверхности излома, проходящая по строчкам сульфидов.

Для повышения сопротивления усталости рекомендовано:

– рессору изготавливать из трубы в соответствии с требованиями чертежа;

– использовать сталь вакуумно-дугового переплава;

– повысить качество механической обработки;

– контролировать размер фракции песка при пескоструйной обработке;

– нагрев под закалку следует проводить в безокислительной или нейтральной атмосфере, вакууме для исключения образования обезуглероженного слоя.

Исследование детали «болт откидной» из стали 30ХГСА

При проведении магнитного контроля на сфере Ø60 мм и цилиндре Ø30 мм обнаружены отложения магнитного порошка в виде отдельных точек и линий. Внешний вид детали и отложений представлен на рис. 4. Отложения в виде линий обнаружены в диаметрально расположенных зонах цилиндра Ø30 мм.

Рис. 4. Внешний вид детали (а) и места отложения магнитного порошка (б, в). Стрелками указаны диаметрально расположенные зоны, в которых обнаружены отложения в виде линий

Согласно результатам химического анализа, деталь изготовлена из стали 30ХГСА, как и предусмотрено требованиями чертежа.

Исследование методами электронной микроскопии поверхности детали в местах точечных отложений магнитного порошка выявило мелкие раковины размером до 0,3 мм (рис. 5), однако определить причину их образования из-за нанесенного цинкового покрытия не представляется возможным.

Рис. 5. вид дефектов на поверхности сферы Ø60 мм (а) и цилиндра Ø30 мм (б)

Исследование поверхности отверстия (цилиндр Ø30 мм) в области протяженных отложений магнитного порошка, показанных на рис. 4, в, выявило наличие сетки тонких трещин (рис. 6, а). При анализе структуры микрошлифов, изготовленных в зоне залегания поверхностных трещин, обнаружены тонкие разветвленные трещины (рис. 6, б), как расположенные под поверхностью, так и распространяющиеся от поверхности вглубь материала на расстояние до 2 мм.

Траектория распространения трещин как на поверхности, так и в плоскости шлифа свидетельствует об их статическом характере. Проведенный электронно-зондовый микроанализ показал, что трещины окислены, а на участках трещин, выходящих на поверхность, помимо пиков кислорода, присутствуют пики цинка (рис. 7, табл. 2). Наличие кислорода на поверхности указывает на возникновение трещин во время механической обработки детали с применением смазочно-охлаждающей жидкости. При последующем нанесении покрытия произошло проникновение цинка по сформировавшимся трещинам вглубь материала.

Рис. 6. вид трещин на поверхности цилиндра Ø30 мм

Рис. 7. Вид трещин в материале образцов и участки проведения электронно-зондового микроанализа

Таблица 2

Результаты электронно-зондового микроанализа

Согласно результатам металлографических исследований шлифов, изготовленных в поперечном и продольном сечениях, в материале детали имеются неметаллические включения – оксиды, сульфиды и оксисульфиды, содержание которых соответствует 1–2 баллу (при оценке по методу Ш ГОСТ 1778–2022).

Микроструктура материала – феррит и пластинчатый перлит. ликвационная неоднородность, сетка феррита или иные дефекты исходного металла не выявлены.

в изломе, полученном при разрушении ударного образца, наблюдаются внутризеренные квазихрупкие фасетки с вторичными трещинами по границам зерен (рис. 8). Полученное значение ударной вязкости KСU составляет 94,2 Дж/см², что меньше, чем значения, заявленные в сертификате качества, который прилагался к детали (KСU = 150 Дж/см²).

Рис. 8. Фасетки квазиотрыва в изломе ударного образца

Исследование детали «палец левый» из стали 30ХГСА

Внешний вид детали представлен на рис. 9. По результатам магнитного контроля поверхности участка Ø38 мм и с торцевой стороны детали обнаружено оседание магнитного порошка в виде тонких черных линий протяженностью до ~3 мм (рис. 10).

Рис. 9. Внешний вид детали «палец левый»

Рис. 10. Осаждение магнитного порошка на поверхности участка Ø38 мм (а) и торце детали (б)

Согласно результатам химического анализа, деталь изготовлена из стали 30ХГСА, что соответствует требованиям чертежа и нормативной документации.

Твердость материала детали составляет 27 HRC (в соответствии с чертежом это значение должно достигать 30–35 HRC).

В ходе металлографического исследования шлифов, изготовленных в зоне дефекта, установлено, что в продольном сечении имеются несплошности материала в виде тонких трещин. Отдельные трещины, развивающиеся от поверхности детали, проходят по границам зерен в основной материал на глубину до 3,9 мм (рис. 11).

Рис. 11. Трещины в продольном (а, б) и поперечном (в) сечениях

Поверхность этих трещин окислена, что подтверждается данными электронно-зондового микроанализа. В спектрограммах поверхности трещин отмечены пики кислорода повышенной интенсивности.

В центральной части шлифа присутствуют тонкие трещины протяженностью до 2 мм, поверхность которых не имеет следов окисления. В зоне образования трещин дефектов металлургического происхождения не выявлено.

Рис. 12. Микроструктура детали в зоне дефектов после травления

В макро- и микроструктуре продольного сечения наблюдается структурная неоднородность. На шлифах после травления частично выявляется перлитная структура с сеткой феррита по границам зерен, частично – крупноигольчатая структура. Выявленная неоднородность указывает на то, что структура негомогенизирована в процессе термообработки (рис. 12).

Заключения

На основании результатов исследования трех деталей из среднелегированных сталей выявлено, что их химический состав соответствовал требованиям чертежа и нормативной документации.

Установлено, что усталостному разрушению рессоры, изготовленной из стали 30ХГСН2А-ВД, способствовало наличие грубых рисок и обезуглероженного слоя на наружной и внутренней поверхностях.

В ходе исследования дефектов, выявленных в детали «болт откидной», изготовленной из стали 30ХГСА, отмечено снижение твердости. Показано, что отложения магнитного порошка обусловлены наличием сети тонких трещин, образовавшихся в процессе механической обработки детали до нанесения цинкового покрытия. Последующее нанесение покрытия привело к проникновению цинка по сформировавшимся трещинам вглубь материала.

Исследование детали «палец левый», изготовленной из стали 30ХГСА, показало снижение твердости, наличие ликвационной неоднородности, обусловленной некачественной термической обработкой, и трещин, сформировавшихся в ликвационных зонах.

Рекомендовано усиление контроля на этапе термической и механической обработки деталей.