鋁合金托架開裂分析及改進

摘要：某飛機航電系統某產品鋁合金托架在大修時發生經常性開裂，該托架牌號為LY12。通過對鋁合金托架進行宏觀觀察，對斷口進行微觀觀察，對材料組織和硬度進行檢查，并通過有限元仿真分析，確定了鋁合金托架的開裂性質，并對開裂原因進行了分析并提出改進意見。

關鍵詞：托架；鋁合金；疲勞開裂

某飛機航電系統某產品鋁合金托架在大修時發現開裂，該鋁合金托架牌號為LY12，上部有四個螺釘孔與飛機蒙皮連接，下側面通過三個螺釘孔與約2kg重物相連接，起到懸掛功能。據了解此鋁合金托架發生開裂的情況較多，在部隊服役時部分已采用焊接方式修復，但后續使用過程中仍有開裂情況發生。本文通過對鋁合金托架進行宏觀觀察，對斷口進行微觀觀察，對材料組織和硬度進行檢查，并通過有限元仿真分析，確定了鋁合金托架的開裂性質，并對開裂原因進行了分析。

1試驗過程與結果

1.1外觀檢查

選取三件裂紋位置不同的鋁合金托架［1］，分別編號為1#、2#、3#，開裂位置位于標記位置，見圖1。

1#托架裂紋見圖2，轉角位置附近可見2條裂紋，分別記為裂紋1和裂紋2，其中裂紋1基本位于轉角根，裂紋2位于靠近連接蒙皮孔側的轉角部位置，由多條不連續裂紋組成；2#托架已發生斷裂，斷裂位于靠近連接蒙皮孔的焊縫邊緣，穿過螺釘孔，見圖3；3#托架可見一條裂紋，裂紋基本位于轉角中部，周圍還可見多條微裂紋，見圖4。

將裂紋打開觀察斷口宏觀形貌。1#托架斷口較平整，與人為打開區分界呈弧形，弧形收斂［2］方向位于上表面；2#托架存在兩個斷面，斷面均較粗糙；3#托架斷口形貌，斷口中部存在明顯分界線，見圖5。

1.2微觀觀察

將三件鋁合金托架斷口超聲清洗后置于掃描電鏡下觀察。

1#托架裂紋1比裂紋2長，為主裂紋，因此對裂紋1斷口形貌進行觀察。裂紋源區位于上側面靠近邊緣處，源區為小線源，未見明顯冶金和加工缺陷，擴展區可見疲勞條帶，見圖6。

2#托架斷口可見兩個斷面，通過兩個擴展棱線的收斂方向可知，斷口源區位于托架上表面邊角位置，斷面擴展位置均呈現疲勞條帶+韌窩形貌，見圖7。

3#托架斷口微觀低倍形貌見圖8（a），斷口大部分區域中部存在一條分界，作進一步觀察；斷口低倍下可見擴展特征，局部存在氣孔特征，說明其開裂是原始裂紋面未焊合引起［3］，同時裂紋面受到焊接作用影響，見圖8（b）；其他可見多處由下側起源的擴展平面，微觀可見疲勞條帶，見圖8（c）。

1.3金相組織觀察

在1#托架上垂直裂紋截取金相試樣，金相組織見圖9，未見明顯異常。

1.4硬度檢測

在金相試樣測試維氏硬度，結果見下表，未見異常。

1.5有限元分析

以1#托架整體形狀建模進行受力分析［4］，模型4個與蒙皮連接孔做固定連接，在連接約2kg重物的孔上施加載荷作用，模型中施加的載荷為20N。

經計KQUfnM/d/tS7LNSL8mmh9A==算可知，當載荷垂直于托架平面時，托架大應力位置位于重物裝配平面的轉角處，而不是連接蒙皮孔側的轉角處，大應力區與故障件的開裂位置不一致，見圖10；當載荷平行于托架平面時，托架大應力位置發生轉移，由重物裝配平面的轉角處轉移至連接蒙皮孔側的轉角處，此種情況下，大應力區與故障件的開裂位置基本一致，見圖11。

2分析與討論

通過斷口宏微觀觀察可知，3件鋁合金托架斷口可見明顯疲勞條帶特征，說明鋁合金托架的開裂性質為疲勞開裂。

2#和3#托架開裂位置均存在焊接現象，斷口均可見明顯的焊接缺陷，以及原始裂紋未焊合問題，說明2#和3#托架開裂與焊接處理直接有關。但據了解，焊接處理是因為此位置前期已發生開裂，類似于1#托架的開裂現象，而2#和3#在與前期開裂相同位置的開裂，分析認為其開裂原因與焊接前開裂原因及1#托架開裂原因一致。以1#托架為主要分析對象，對其開裂原因進行分析。

1#托架裂紋源區為小線源位于托架上側表面靠近連接蒙皮孔側的轉角處，源區是轉角的外側，正常情況下相對于轉角內壁，轉角外側不易成為裂紋萌生的源區。有限元分析也確認在托架法向載荷作用下，源區位置不是結構的大應力區，也就是說，托架可能受到其他情況的載荷作用，有限元分析顯示當載荷方向與托架平面平行時，結構大應力區發生轉移，基本位于故障件的開裂位置。

飛機在平飛時，托架是受到垂直托架平面的載荷（豎直方向），而在機動飛行時，托架受力大小和受力方向則受機動飛行狀態影響。因此，分析認為飛機機動飛行引起托架受到異常大載荷作用，造成托架發生疲勞開裂。

3結論與建議

綜上所述，鋁合金托架為疲勞開裂，其疲勞開裂主要是由于受到飛機做機動飛行時產生的大載荷作用。建議優化結構，提高承載能力。

參考文獻：

［1］劉艷琳，梅華生，彭颋.減震器托架斷裂失效分析［J］.精密成形工程，2014，6（04）：6973.

［2］張棟，鐘培道，陶春虎，等.失效分析［M］.北京：國防工業出版社，2004.

［3］梅長興，何鵬，陸青松，等.不銹鋼油冷器開裂分析［J］.失效分析與預防，2016，11（03）：162167.

［4］秦劍波，寧宇，王新波，等.飛機翼身接頭疲勞試驗件失效分析及其改進［J］.失效分析與預防，2017，12（05）：304309.

作者簡介：葉文娟（1989—），女，安徽黃山人，碩士，工程師，主要從事航電產品及系統維修工作。