某型飛機(jī)耳片結(jié)構(gòu)疲勞斷口分析

鄭參謀

摘 要：疲勞斷裂是導(dǎo)致工程結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞的主要原因，針對某型飛機(jī)耳片結(jié)構(gòu)發(fā)生的破壞問題，對其疲勞損傷和斷裂機(jī)理進(jìn)行斷口分析，確定了該耳片結(jié)構(gòu)的開裂性質(zhì)，并定量地給出了耳片孔邊裂紋萌生壽命及裂紋擴(kuò)展壽命，為類似耳片結(jié)構(gòu)斷口分析提供了參考。

關(guān)鍵詞：耳片 疲勞斷裂 斷口分析 裂紋擴(kuò)展

中圖分類號：V215 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）05（b）-0001-03

該文對某型飛機(jī)耳片結(jié)構(gòu)進(jìn)行斷口宏觀與微觀觀察、能譜分析和斷口定量分析，結(jié)合耳片硬度、金相組織、低倍流線和化學(xué)成分的檢測結(jié)果，確定了耳片結(jié)構(gòu)的開裂性質(zhì)，計算反推出了裂紋的擴(kuò)展壽命和萌生壽命。

1 試驗簡介

需對某型飛機(jī)耳片結(jié)構(gòu)（2024-T351鋁合金材料）分別進(jìn)行疲勞試驗和裂紋擴(kuò)展試驗。進(jìn)行疲勞試驗前，已對該耳片結(jié)構(gòu)進(jìn)行了缺口預(yù)制（共兩處，均為角裂紋形狀，且尺寸相同）如圖1所示，目的是通過疲勞試驗，在預(yù)制缺口尖端出現(xiàn)約1 mm可見疲勞裂紋，之后再進(jìn)行裂紋擴(kuò)展試驗。

將耳片結(jié)構(gòu)如圖2所示進(jìn)行安裝固定，采用應(yīng)力比R=0.1等幅譜，按如圖1所示加載方向進(jìn)行疲勞試驗。經(jīng)過45 000次疲勞試驗后，耳片1開裂，耳片2未出裂紋，如圖3所示。

2 斷口分析

2.1 斷口宏、微觀觀察

將耳片1裂紋人為打開，斷口宏觀形貌見圖4（a），源區(qū)位于缺口處，呈線源，整個裂紋斷面平坦，裂紋從缺口起始后沿耳片孔寬度和厚度方向同時擴(kuò)展，即裂紋沿著斷面斜對角方向擴(kuò)展，疲勞擴(kuò)展區(qū)約占整個斷面面積的90%。源區(qū)放大后未見冶金缺陷，見圖4（b）。

2.2 斷口定量分析

該文采用疲勞條帶作為定量分析參量，從疲勞源區(qū)開始對擴(kuò)展區(qū)內(nèi)的疲勞條帶進(jìn)行測定，每個測定點及其附近區(qū)域測量三次，取平均值作為該處的疲勞條帶間距，即疲勞裂紋擴(kuò)展速率，測定結(jié)果見表1。采用列表梯形法（見公式1）計算疲勞擴(kuò)展壽命，列入表1中Ni。由表1可得：耳片從距源區(qū)0.01～17.85 mm范圍內(nèi)的疲勞擴(kuò)展壽命為33 283循環(huán)周次。

式（1）中：an為第n點距離源區(qū)的裂紋長度，an-1為第n-1點距離源區(qū)的裂紋長度，da/dN為裂紋擴(kuò)展速率。

總的試驗循環(huán)為45 000循環(huán)周次，通過斷口定量分析，可知耳片裂紋擴(kuò)展壽命為33 283循環(huán)周次，則裂紋萌生壽命為11 717循環(huán)周次。

2.3 低倍流線檢查

在耳片裂紋附近按如圖5所示分別制取3個方向的金相試樣，磨制拋光低倍腐蝕后進(jìn)行低倍流線觀察。從觀察結(jié)果可知，1#取樣為LT方向，2#取樣為LS方向，3#取樣為TS方向，由此可知，耳片的L、T、S方向分別對應(yīng)接頭的長度、寬度和厚度方向（見圖6）。

2.4 金相組織檢查

對耳片不同方向下制取金相試樣，磨制拋光后進(jìn)行金相組織觀察，耳片的金相組織為α-Al和粗大質(zhì)點相，3個方向金相組織分別見圖7（a）～7（c）。

2.5 硬度測定

分別在耳片的L、T、S方向制取硬度試樣，磨制拋光后進(jìn)行維氏硬度測試，結(jié)果見表2。由表2可知，耳片3個方向的硬度值均符合技術(shù)要求。

2.6 化學(xué)成分分析

通過對耳片人為打開斷口進(jìn)行能譜分析和試末法化學(xué)成分檢測，測試結(jié)果見表3。由表3可知，能譜分析結(jié)果中Cu元素高于技術(shù)要求，試末法測試結(jié)果表明耳片化學(xué)成分符合2024-T351鋁合金技術(shù)要求。

3 結(jié)語

3.1 失效性質(zhì)分析

耳片1存在裂紋，裂紋起源于缺口處，沿著耳片的寬度和厚度方向同時疲勞擴(kuò)展，斷面上可見大量的細(xì)密疲勞條帶，由此判斷耳片的失效性質(zhì)為疲勞斷裂。

3.2 材質(zhì)分析

耳片化學(xué)成分符合2024-T351鋁合金技術(shù)要求；耳片的低倍流線L、T、S方向與材料取向方向一致；耳片的高倍金相組織未見明顯異常；耳片3個方向的硬度值均符合技術(shù)要求。由此可知，耳片的材質(zhì)和加工方向符合技術(shù)要求。

3.3 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33 283循環(huán)周次，萌生壽命為11 717循環(huán)周次。

參考文獻(xiàn)

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