2B06鋁合金支架斷裂失效分析

李松如,張 平,陳 康

(1.國營蕪湖機械廠,安徽 蕪湖 241000;2.南京航空航天大學 機電學院,江蘇 南京 210000)

2B06(Al-Zn-Cu-Mg)鋁合金是一種高強鋁合金,具有密度低、強度高和耐腐蝕性強等優點,廣泛用于制造飛機蒙皮、框、支架等零部件[1-2]。裂紋、斷裂、腐蝕是2B06鋁合金零部件常見的失效形式,目前對于2B06鋁合金零部件失效研究主要集中在壽命模擬、腐蝕規律等方面[3-5],針對實際工況下支架類連接零件的裂紋、斷裂失效分析及改進研究較少。

本文通過宏觀檢查、微觀檢查、金相組織檢查、化學成分分析等理化分析及有限元分析等手段,對固定液壓電磁閥支架的斷裂裂紋性質和產生原因進行分析討論,以確定支架的失效原因及修理中的預防措施。

1 失效零件概況

飛機地面檢查時發現,固定液壓電磁閥的支架發生斷裂故障。支架通過鉚釘安裝在飛機框梁上,通過螺栓、螺母固定液壓電磁閥(見圖1)。左側失效支架斷裂位置靠近液壓電磁閥安裝螺栓孔,同時也是支架與框梁接觸部位。支架材料為2B06鋁合金,表面硫酸陽極化處理后涂2層TB06-9底漆。

圖1 支架安裝示意圖

2 試驗過程與結果

2.1 宏觀檢查

經目視檢查斷裂支架無明顯變形,支架斷裂位置靠近螺栓孔邊緣,裂紋走向呈一定弧度,將支架斷裂分為A、B兩部分,支架上表面螺孔附近存在明顯弧形磨損的損傷形貌,支架下表面可見螺栓的輕微壓痕(見圖2)。觀察A、B部分斷面形貌可以看出:A部分斷面左右兩側較平整,靠近上下表面的斷面均磨損發黑;B部分斷面中間發黑區域為磨損區域,靠近下表面斷面區域未被磨損變黑(見圖3)。

a) 支架上表面

b) 支架下表面

圖3 支架斷面形貌

2.2 體視檢查

使用S9i型體視顯微鏡對支架A部分、B部分斷面進行觀察:A部分斷面左側、右側可見疲勞弧線特征及擴展棱線痕跡,源區指向靠近螺孔的下表面磨損區域(見圖4);B部分斷面可見疲勞弧線特征及擴展棱線痕跡,源區同樣指向靠近螺孔的下表面區域(見圖5)。由此初步判斷,支架裂紋源區靠近螺孔的下表面區域,裂紋由源區向支架上表面擴展。

a) A部分斷面左側

b) A部分斷面右側

圖5 B部分斷面體視鏡檢查

2.3 微觀檢查

進一步使用Sigma300型場發射掃描電子顯微鏡對支架B部分斷面進行觀察:斷面左側可見明顯疲勞弧線特征(見圖6a);斷面擴展區形貌可見解理特征,高倍下可見疲勞條帶特征(見圖6b和圖6c);根據棱線收斂情況及疲勞弧線收斂方向可確定源區位于下表面,長度約為200 μm,線源特征(見圖6d)。場發射掃描電子顯微鏡的觀察結果再次印證了支架裂紋由下表面源區向上表面擴展的結論。疲勞弧線和疲勞條帶是疲勞裂紋擴展階段斷面上重要的顯微特征[6-7],由此可知,支架的斷裂裂紋性質為疲勞裂紋。

a) B部分左側疲勞弧線特征

b) B部分左側疲勞條帶特征

c) B部分右側疲勞條帶特征

d) 裂紋源區

能譜分析可對被測物的元素含量進行定量分析[8],使用XFlash 6-30型能譜儀對支架A、B部分裂紋源區及磨損區上附著物進行能譜成分分析:除基體元素外,支架裂紋源區及磨損區均含有O元素,磨損區O元素含量高,氧化嚴重,未見其他異質元素。由此確定支架A、B部分磨損區產生過程中,沒有其他材質零件參與,支架斷面磨損痕跡是在載荷、振動作用下支架A、B部分互相接觸導致。

2.4 金相組織檢查

根據GB/T 3246.1—2012《變形鋁及鋁合金制品組織檢驗方法 第1部分:顯微組織檢驗方法》要求,在支架裂紋源區附近沿垂直斷面方向切割制備金相試樣,經腐蝕后采用PMG3-613U金相顯微鏡觀察組織特征:裂紋源區未見明顯冶金缺陷(見圖7a),基體組織均勻,未見過燒特征(見圖7b),排除支架因冶金缺陷導致支架疲勞性能降低的可能性。

a) 裂紋源區金相組織

b) 基體金相組織

2.5 化學成分分析

根據GB/T 7999—2015《鋁及鋁合金光電直讀發射光譜分析方法》要求,使用SPECTRO MAXX全譜直讀光譜儀對故障支架進行化學成分分析,結果見表1。結果表明,該支架化學成分符合2B06鋁合金技術規范要求[9],排除支架因化學成分不符導致疲勞開裂的可能性。

表1 支架化學成分分析結果

2.6 有限元分析

由支架安裝示意圖(見圖1)可知,支架液壓電磁閥安裝面為典型含孔板結構,受到液壓電磁閥傳遞的循環載荷,支架螺栓孔邊應力值最大,且隨著逐漸遠離孔邊,應力峰值也逐漸降低[10],但該故障支架斷裂裂紋未通過螺栓孔,為靠近螺栓孔,分析液壓電磁閥機上安裝時支架異常受力。檢查其他飛機同位置支架安裝狀態,發現受限于空間狹小、安裝結構復雜等因素,存在支架與安裝框梁分離上翹情況,此異常狀態時支架受向上的裝配應力(見圖8)。通過ABAQUS對支架不同安裝狀態進行對比分析(見圖9):有限元模型選用C3D8R單元,共劃分為96 335個單元和121 658個節點;支架鉚釘安裝面邊界條件選擇固定;a組模型模擬支架正常安裝狀態,加載載荷為橫向循環載荷;b組模型模擬支架承受裝配應力狀態,加載載荷為橫向循環載荷和集中力載荷。有限元分析應力分布結果如圖10所示,由此可知:當液壓電磁閥機上安裝異常支架受到裝配應力時,支架最大應力值增加,最大應力值位置由螺栓孔改為靠近螺栓孔邊約2 mm位置,與失效支架裂紋源區位置基本一致。因此,確認支架疲勞斷裂失效與支架承受的裝配應力相關。

圖8 支架安裝異常狀態

圖9 支架有限元分析邊界條件及載荷

b) b組模型支架應力分布

2.7 分析與討論

根據支架宏觀、微觀檢查等理化分析及應力分析可知:1)支架斷裂裂紋靠近螺栓孔,呈一定弧度,將支架分為A、B兩部分,支架斷面存在明顯磨損痕跡;2)支架A、B部分斷面可見明顯疲勞弧線特征,高倍下可見疲勞條帶特征,斷裂裂紋性質為疲勞裂紋;3)支架裂紋源區位于支架下表面,長度約為200 μm,線源特征;4)支架A、B部分磨損區氧化嚴重,未見其他異質元素,判定磨損痕跡是支架A、B部分互相接觸導致;5)支架源區和基體金相檢查未見明顯冶金缺陷,支架化學成分符合2B06鋁合金技術規范要求,排除支架因冶金缺陷和化學成分不符等導致疲勞開裂的可能性;6)實物檢查發現,支架安裝異常時受到向上裝配應力,有限元分析表明,此狀態下支架最大應力值增加,最大應力值位置與失效支架裂紋源區位置基本一致,確認支架失效與裝配應力相關。

綜上所述,支架斷裂是由于支架疲勞裂紋導致,裂紋源于支架下表面,向上表面擴展,直至支架斷裂。在本故障中,支架斷裂過程如下:液壓電磁閥機安裝異常導致支架受到裝配應力,同時在正常工作載荷綜合作用下,飛機支架下表面螺栓孔附近應力值最大區域出現疲勞源,產生裂紋,疲勞裂紋隨時間向上表面擴展導致支架斷裂分為A、B兩部分,斷裂的支架在載荷、振動作用下兩部分互相接觸導致磨損。為預防此類故障再次發生,在液壓電磁閥安裝時應防止支架翹起等異常狀態,保證液壓電磁閥安裝后支架必須貼合安裝框梁,必要時可更換新支架保證安裝貼合,從而降低支架裝配應力,減小支架承受的最大應力值,在實際應用中有效延長了支架疲勞壽命。

3 結語

通過上述研究可以得出如下結論。

1)支架斷裂裂紋性質為疲勞裂紋,斷裂是支架異常翹起導致裝配應力和正常工作載荷綜合作用導致。

2)建議支架固定液壓電磁閥時必須貼合安裝框梁,必要時可換新支架,從而降低支架裝配應力,減小支架承受的最大應力值,可有效延長支架疲勞壽命。