某型飛機(jī)耳片結(jié)構(gòu)斷口宏、微觀及定量分析

鄭參謀

上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院強(qiáng)度部

概述

本文通過對(duì)某型飛機(jī)耳片（叉耳）結(jié)構(gòu)進(jìn)行斷口宏、微觀觀察，確定了耳片的失效性質(zhì)，計(jì)算反推出了耳片孔邊裂紋萌生壽命及裂紋擴(kuò)展壽命，并給出了裂紋長(zhǎng)度與擴(kuò)展壽命之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為類似耳片結(jié)構(gòu)斷口定量分析提供了參考和指導(dǎo)。

試驗(yàn)簡(jiǎn)介

某型飛機(jī)耳片結(jié)構(gòu)上含有兩處預(yù)制缺（切）口，其尺寸相同，分別位于叉耳的內(nèi)/外側(cè)（編號(hào)1、2），為孔邊角裂紋，見圖1。需對(duì)該耳片結(jié)構(gòu)先進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，待預(yù)制缺口尖端出現(xiàn)可見疲勞裂紋（約1～2mm）后，再進(jìn)行裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)。

圖1 預(yù)制缺口示意圖

圖2 載荷方向示意圖

圖3 試驗(yàn)安裝示意圖

采用等幅譜進(jìn)行試驗(yàn)，應(yīng)力比R=0.1，叉耳中插入銷棒，在銷棒上如圖2 所示方向進(jìn)行加載，使載荷平均分配在兩耳片上，預(yù)制缺口對(duì)稱線均與試驗(yàn)載荷方向垂直。銷棒材料為45#鋼，耳片材料為2024-T351 鋁合金。試驗(yàn)在專用試驗(yàn)夾具上進(jìn)行，安裝示意圖見圖3。經(jīng)過45000 次疲勞試驗(yàn)后，耳片1（預(yù)制缺口1）發(fā)生開裂，耳片2（預(yù)制缺口2）疲勞裂紋未萌生，見圖4。

斷口宏、微觀分析

將耳片1 裂紋人為打開，斷口宏觀形貌見圖5a，源區(qū)位于缺（切）口處，呈線源，整個(gè)裂紋斷面平坦，裂紋從切口起源后沿孔寬度和厚度方向同時(shí)擴(kuò)展，即裂紋沿著斷面斜對(duì)角方向擴(kuò)展，疲勞擴(kuò)展區(qū)約占整個(gè)斷面面積的90%。

源區(qū)放大未見冶金缺陷，見圖5b；裂紋擴(kuò)展前、中、后期可見大量細(xì)密的疲勞條帶，疲勞條帶寬度分別約為0.3～0.4μm，0.3～0.4μm 和0.7～1.7μm，分別見圖5c～5e；疲勞區(qū)與人為打開可見明顯的分界，見圖5f；人為打開區(qū)為韌窩+顆粒相形貌，見圖5g。

斷口定量分析

耳片裂紋擴(kuò)展壽命和萌生壽命定量反推

結(jié)合耳片斷面上可見大量細(xì)密的疲勞條帶，且疲勞條帶形貌與等幅譜載荷存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此，本文采用疲勞條帶作為定量分析的參量。

為了確定耳片斷口裂紋擴(kuò)展壽命，從疲勞源區(qū)開始對(duì)擴(kuò)展區(qū)內(nèi)的疲勞條帶進(jìn)行了測(cè)定，在每個(gè)測(cè)定點(diǎn)及其附近的區(qū)域測(cè)量三次取平均值作為該處的疲勞條帶間距，也即疲勞裂紋擴(kuò)展速率，測(cè)定的數(shù)據(jù)見表1。耳片斷口從距源區(qū)0.01mm 即可看到疲勞條帶形貌，距源區(qū)17.85mm為疲勞擴(kuò)展與人為打開區(qū)交界處。

圖4 耳片1 破壞圖

圖5 耳片1 斷口形貌

利用表1 中數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，可以得到疲勞裂紋擴(kuò)展速率與裂紋長(zhǎng)度之間的關(guān)系曲線，見圖6。采用列表梯形法計(jì)算疲勞擴(kuò)展壽命（見公式1），具體計(jì)算數(shù)據(jù)列入表1 的Ni 欄內(nèi)。耳片從距源區(qū)0.01mm 到17.85mm 范圍內(nèi)的疲勞擴(kuò)展壽命為33283 循環(huán)周次。

式中：an 為第n 點(diǎn)距離源區(qū)的裂紋長(zhǎng)度，an-1 為第n-1 點(diǎn)距離源區(qū)的裂紋長(zhǎng)度，da/dN 為裂紋擴(kuò)展速率。

圖6 耳片斷口裂紋擴(kuò)展速率與裂紋長(zhǎng)度的關(guān)系曲線圖

表1 耳片斷口主裂紋疲勞條帶相關(guān)數(shù)據(jù)

裂紋長(zhǎng)度與擴(kuò)展壽命之間關(guān)系分析

本次試驗(yàn)耳片共經(jīng)歷了45000 循環(huán)周次，即總的疲勞壽命為45000 循環(huán)周次，通過斷口定量分析，可知耳片的裂紋擴(kuò)展壽命為33283 循環(huán)周次。根據(jù)裂紋萌生壽命等于總壽命減去擴(kuò)展壽命，計(jì)算反推出裂紋萌生壽命為11717 循環(huán)周次。將不同裂紋長(zhǎng)度下的擴(kuò)展壽命和總壽命列于表2。利用表2 數(shù)據(jù)擬合曲線，得到擴(kuò)展壽命和總壽命與裂紋長(zhǎng)度之間的關(guān)系曲線，分別見圖7 和圖8。

表2 耳片裂紋長(zhǎng)度與循環(huán)周次之間的數(shù)據(jù)

圖7 裂紋長(zhǎng)度與擴(kuò)展壽命之間關(guān)系曲線

圖8 裂紋長(zhǎng)度與總壽命之間關(guān)系曲線

結(jié)語

（1）失效性質(zhì)分析

耳片1 存在裂紋，裂紋幾乎貫穿耳片寬度和厚度方向，裂紋起源于缺（切）口處，沿著耳片寬度和厚度方向同時(shí)擴(kuò)展，斷面上可見大量細(xì)密疲勞條帶，由此判斷耳片的失效性質(zhì)為疲勞開裂。

（2）裂紋擴(kuò)展壽命反推分析

通過斷口定量分析反推，可知耳片的裂紋擴(kuò)展壽命為33283 循環(huán)周次，萌生壽命為11717 循環(huán)周次，并得到了擴(kuò)展壽命和總壽命與裂紋長(zhǎng)度之間的關(guān)系曲線。