某型飛機耳片結構疲勞斷口分析

鄭參謀

摘 要：疲勞斷裂是導致工程結構或構件破壞的主要原因，針對某型飛機耳片結構發生的破壞問題，對其疲勞損傷和斷裂機理進行斷口分析，確定了該耳片結構的開裂性質，并定量地給出了耳片孔邊裂紋萌生壽命及裂紋擴展壽命，為類似耳片結構斷口分析提供了參考。

關鍵詞：耳片 疲勞斷裂 斷口分析 裂紋擴展

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

該文對某型飛機耳片結構進行斷口宏觀與微觀觀察、能譜分析和斷口定量分析，結合耳片硬度、金相組織、低倍流線和化學成分的檢測結果，確定了耳片結構的開裂性質，計算反推出了裂紋的擴展壽命和萌生壽命。

1 試驗簡介

需對某型飛機耳片結構（2024-T351鋁合金材料）分別進行疲勞試驗和裂紋擴展試驗。進行疲勞試驗前，已對該耳片結構進行了缺口預制（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，在預制缺口尖端出現約1 mm可見疲勞裂紋，之后再進行裂紋擴展試驗。

將耳片結構如圖2所示進行安裝固定，采用應力比R=0.1等幅譜，按如圖1所示加載方向進行疲勞試驗。經過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展，即裂紋沿著斷面斜對角方向擴展，疲勞擴展區約占整個斷面面積的90%。源區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，從疲勞源區開始對擴展區內的疲勞條帶進行測定，每個測定點及其附近區域測量三次，取平均值作為該處的疲勞條帶間距，即疲勞裂紋擴展速率，測定結果見表1。采用列表梯形法（見公式1）計算疲勞擴展壽命，列入表1中Ni。由表1可得：耳片從距源區0.01～17.85 mm范圍內的疲勞擴展壽命為33 283循環周次。

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

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

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行低倍流線觀察。從觀察結果可知，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，磨制拋光后進行金相組織觀察，耳片的金相組織為α-Al和粗大質點相，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，磨制拋光后進行維氏硬度測試，結果見表2。由表2可知，耳片3個方向的硬度值均符合技術要求。

2.6 化學成分分析

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

3 結語

3.1 失效性質分析

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展，斷面上可見大量的細密疲勞條帶，由此判斷耳片的失效性質為疲勞斷裂。

3.2 材質分析

耳片化學成分符合2024-T351鋁合金技術要求；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要求。由此可知，耳片的材質和加工方向符合技術要求。

3.3 裂紋擴展壽命反推分析

通過斷口定量分析反推，可知耳片的裂紋擴展壽命為33 283循環周次，萌生壽命為11 717循環周次。

參考文獻

[1] 趙榮國，羅希延，蔣永洲，等.航空發動機渦輪輪盤用GH4133B合金疲勞損傷與斷口分析[J].機械工程學報，2011，47（6）：92-100.

[2] 傅祥炯.結構疲勞與斷裂[M].西安：西北工業大學出版社，1995.