7050鋁合金耳片結構尺寸對其疲勞性能的影響

孫薇薇1，蔡 玲1，張建波，袁 璐，劉建中

(1.上海飛機設計研究院，上海 201210；2.上海航空材料結構檢測股份有限公司，上海 201210)

0 引 言

民用飛機的快速發展對飛機結構的使用壽命和服役性能提出了更高的要求。耳片連接件是保證飛機結構完整性和正常服役的重要部件，是結構之間載荷傳遞的重要環節。近些年來，國內外學者對耳片連接件的靜力特性、斷裂特性和疲勞特性進行了研究，已取得一定成果。周麗君等[1]研究了耳片拉伸受力特性及破壞形式，并歸納總結了耳片疲勞強度的主要影響因素。劉翠云等[2]分析了TC18鈦合金耳片的疲勞性能，發現熱處理狀態和平均應力水平對耳片疲勞壽命影響較大。何翔等[3]分析了耳片厚度、耳片孔徑、傾角等參數對7075鋁合金耳片承載能力的影響。伍黎明等[4]模擬研究了單邊裂紋與雙邊裂紋兩種損傷模式下，耳片外內徑比值、斜切角、裂紋長度等參數對裂紋尖端I型應力強度因子KI的影響規律。卜英格[5]測得了不同尺寸2024鋁合金耳片試樣在105周次壽命下對應的疲勞強度，并分析了尺寸效應。楊卓君等[6]對7050鋁合金直耳片、對稱斜耳片和非對稱斜耳片進行了不同方向、不同載荷下的疲勞裂紋擴展試驗，對比分析了疲勞裂紋擴展曲線和裂紋擴展路徑。BOLJANOVI等[7]提出了耳片結構強度的分析計算方法，并對耳片結構進行了應力分析和疲勞壽命評價。羅學昆等[8]通過二次孔擠壓強化工藝改善了TB6鈦合金耳片孔壁表面的完整性，在孔壁上形成了殘余壓應力層和組織強化層，從而顯著提高了該耳片的疲勞壽命。

相比一般的帶孔結構，耳片的疲勞性能會受到耳片幾何參數、裝配間隙、尺寸效應和加工工藝等復雜因素的影響。此外，耳片連接件在服役過程中，其耳片孔內壁與銷軸存在接觸，在承受循環載荷時會發生微動磨損。微動磨損在低應力幅下引發微裂紋，也會影響耳片的疲勞性能。目前，疲勞壽命理論預測和仿真分析難以準確得出這些復雜因素對耳片疲勞性能的影響規律。此外，耳片接頭的疲勞強度降低系數Kf遠大于應力集中系數Kt，這就導致依靠材料的疲勞性能數據不能準確預測耳片的疲勞性能[9]。因此，耳片連接件的疲勞性能研究仍需依托大量的試驗數據，才能保證結果的可靠性。7050鋁合金綜合性能優異，是飛機結構件的主要材料之一[10]。對7050鋁合金耳片疲勞性能及其影響因素進行研究具有重要的工程意義。為此，作者以7050鋁合金為研究對象，系統研究了6種不同結構尺寸耳片在不同應力水平下的疲勞性能，分析了耳片結構尺寸參數對疲勞性能的影響規律，以期為飛機結構設計和分析提供一定的試驗和理論依據。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為厚度175 mm 的7050鋁合金板，熱處理狀態為T7451，化學成分見表1。6種耳片試樣的形狀與尺寸如圖1和表2所示，其中：t為耳片厚度；d為耳孔直徑；W為耳片寬度；x為耳孔橫向邊距；y為耳孔縱向邊距。試樣長度方向均為軋制方向。

表1 7050鋁合金的化學成分(質量分數)

圖1 耳片試樣的形狀Fig.1 Shape of lug sample

按照ASTM E466-15，在QBG-100KN型疲勞試驗機上進行室溫疲勞性能測試，試驗機檢測精度為±1%，滿足標準要求。試驗加載頻率為80 Hz，波形為正弦波，應力比為0.06，采用3種應力水平(表3)，至少測3個平行試樣。要求在3種應力水平下不同耳片試樣的疲勞壽命均分別在5×104，1X105，5×105周次左右，并且應滿足95%置信度要求。采用COXEM-30AX型掃描電子顯微鏡(SEM)對疲勞斷口形貌進行觀察。

表2 耳片試樣尺寸

表3 不同耳片試樣疲勞試驗的最大應力水平

2 試驗結果與討論

2.1 應力-壽命(S-N)曲線

通過疲勞試驗，獲得不同尺寸7050鋁合金耳片的疲勞壽命，其結果分布在5×1045×105周次。對于中低疲勞壽命區，疲勞壽命對數與應力對數呈線性關系，即

lgN=A1+A2lgS

(1)

式中：N為疲勞壽命；S為最大應力；A1和A2為材料在一定應力集中系數和應力比(或平均應力)下的曲線形狀常數。

采用最小二乘法對試驗數據進行線性擬合[11]，得到不同7050鋁合金耳片試樣的中值S-N曲線，見圖2。

圖2 擬合得到的不同尺寸7050鋁合金耳片試樣的S-N曲線Fig.2 Fitted S-N curves of 7050 aluminum alloy lug samples with different sizes: (a-f) samples 1-6

由試樣1、試樣3、試樣5或試樣2、試樣4、試樣6的S-N曲線對比可知，在相同應力水平下，隨著d/W的減小，耳片的疲勞壽命均先延長后縮短；對比試樣1、試樣2，或試樣3、試樣4，或試樣5、試樣6的S-N曲線可知，y/x越大，相同應力水平下的疲勞壽命越長。在d保持不變的條件下，當d/W減小時，耳片孔的應力集中系數減小[12]，即相同名義應力下，應力集中系數低的耳片孔內壁實際應力響應小，因此疲勞壽命延長。當d/W減小到一定程度時，耳片試樣尺寸增大，尺寸效應凸顯，從耳片孔內壁到耳片外邊緣的應力梯度小，處在高應力區的體積大，在循環載荷作用下產生疲勞裂紋的概率更高[9]，故疲勞壽命又有所降低。

當y/x=1.0時，耳片試樣的拉伸凈截面積與剪切凈截面積相當，裂紋擴展方向與加載方向的夾角約為60°，如圖3(a)所示，試樣呈拉、剪復合疲勞破壞模式，疲勞壽命較低；當y/x=1.6時，耳片試樣的抗剪面積增大，抗剪能力提高，裂紋擴展方向與加載方向的夾角約為90°，如圖3(b)所示，試樣的破壞模式為單向正應力下的單軸疲勞失效，疲勞壽命較高。

圖3 分別在最大應力70 MPa和130 MPa下疲勞試驗后試樣3和試樣4的宏觀形貌Fig.3 Macromorphology of sample 3 (a) and sample 4 (b) after fatigue test under maximum stresses of 70 MPa and 130 MPa, respectively

2.2 疲勞斷口形貌

不同尺寸7050鋁合金耳片試樣的疲勞斷口形貌相似，均具有疲勞裂紋源區、裂紋擴展區和瞬斷區3個特征區域。以最大應力為60 MPa下的試樣5為例進行分析。由圖4可知：裂紋源形式主要為角裂紋和表面裂紋，裂紋源下方可觀察到明顯的放射狀條紋，其發散方向為疲勞裂紋擴展方向；裂紋擴展區可觀察到垂直于裂紋擴展方向的疲勞條帶，疲勞條帶相互平行、間隔均勻，是典型的高周疲勞條帶；瞬斷區存在大量韌窩，表現出韌性斷裂特征。

3 結 論

(1) 在相同應力下，當耳孔縱向和橫向邊距比一定時(y/x=1.0，1.6),7050鋁合金耳片的疲勞壽命隨著耳孔直徑和耳片寬度比d/W(d為定值)的減小(即W的增大)先延長后縮短；當d/W一定時，y/x越大，疲勞壽命越長。

(2) 不同尺寸7050鋁合金耳片的斷口均具有疲勞裂紋源區、裂紋擴展區和瞬斷區3個特征區域，呈現典型疲勞斷裂特征；裂紋源形式主要為表面裂紋和角裂紋。