董唯莉，胡春燕，劉新靈，盧增威

(1.中航工業(yè)沈陽飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司，沈陽 110850;2.中航工業(yè)北京航空材料研究院，北京 100095）

0 引言

變形鋁合金由于其優(yōu)良的強(qiáng)度與韌性，較小的密度，因而以其良好的比強(qiáng)度、比剛度等綜合性能而廣泛應(yīng)用于航空航天工業(yè)［1］。某飛機(jī)飛行后例行檢查時(shí)，2次發(fā)現(xiàn)回油路上與油濾相連的鋁直角彎管接頭出現(xiàn)漏油現(xiàn)象，經(jīng)檢查彎管接頭螺紋部位發(fā)生開裂。其中1件接頭的工作時(shí)間為324 h50 min(以下簡稱A接頭)，另1件接頭的工作時(shí)間為56 h47 min(以下簡稱B接頭)。彎管接頭為鋁合金鍛件，材料牌號(hào)為LD5CS，加工工序?yàn)?鍛造→熱處理→機(jī)加工→熒光檢查→陽極化→油濾器安裝→裝配。

通過對(duì)鋁直角彎管進(jìn)行外觀檢查、斷口宏微觀觀察、定量分析及能譜分析，并對(duì)其進(jìn)行組織檢查、硬度測試，以確定彎管的開裂性質(zhì)和開裂原因，為預(yù)防此類故障的再次發(fā)生提供借鑒。

1 試驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1 外觀檢查

鋁直角彎管接頭的外觀形貌及開裂位置見圖1。其中較細(xì)的一端與油濾相連，并固定在飛機(jī)上;較粗的一端與一U型管相連后通向油箱(U型管長度為590 mm)，此部分沒有固定。A接頭可見3處開裂，B接頭只有1處開裂。其中，裂紋2和裂紋4均位于螺紋牙底根部。

1.2 斷口宏微觀觀察及定量分析

將2件彎管接頭的裂紋打開后，將斷口經(jīng)超聲波清洗后放入掃描電鏡進(jìn)行觀察。

圖1 彎管接頭的外觀形貌Fig.1 Appearance of the bend joints

人為打開裂紋1的斷口低倍形貌見圖2，可見斷面較粗糙。源區(qū)形貌見圖3，源區(qū)未見冶金缺陷，裂紋源為多個(gè)小線源組成，可見清晰的放射棱線特征，源區(qū)位于彎管接頭的外壁表面。斷口形貌主要為類解理和疲勞特征，裂紋源區(qū)附近可觀察到疲勞弧線和疲勞條帶，裂紋先沿壁厚方向擴(kuò)展，再沿圓周方向擴(kuò)展，擴(kuò)展區(qū)的疲勞弧線及疲勞條帶見圖4。瞬斷區(qū)為韌窩形貌。裂紋2打開后的斷口也主要為類解理和疲勞特征，源區(qū)未見冶金缺陷，線源，擴(kuò)展區(qū)可見疲勞弧線及條帶特征，瞬斷區(qū)為韌窩形貌。裂紋3打開斷口主要為韌窩形貌，源區(qū)未見冶金缺陷。

圖2 A接頭斷口的低倍宏觀形貌Fig.2 Low-magnification feature of facture surface of joint A

圖3 A接頭斷口源區(qū)的微觀形貌Fig.3 Microscopic feature of the source region of joint A

圖4 A接頭斷口擴(kuò)展區(qū)的疲勞條帶特征Fig.4 Microscopic fatigue striations feature of propagation zone of joint A

裂紋4打開后的斷口低倍形貌見圖5，源區(qū)形貌見圖6，源區(qū)未見冶金缺陷，源區(qū)位于彎管接頭的外壁表面，斷口形貌主要為快速擴(kuò)展的類解理特征，表明裂紋4應(yīng)在較大的應(yīng)力下快速擴(kuò)展形成，擴(kuò)展區(qū)局部可見少量的疲勞特征(圖7)。瞬斷區(qū)為韌窩形貌。

圖5 B接頭斷口的低倍宏觀形貌Fig.5 Low-magnification feature of facture surface of joint B

圖6 B接頭斷口源區(qū)的低倍形貌Fig.6 Microscopic feature of source region of joint B

圖7 B接頭斷口擴(kuò)展區(qū)的疲勞條帶特征Fig.7 Microscopic fatigue striations feature of propagation zone of joint B

1.3 能譜分析

在彎管接頭源區(qū)進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見表1。可見彎管接頭的材料與LD5CS材料成分相符。

1.4 硬度測試

將A、B彎管接頭試樣拋光后進(jìn)行顯微硬度測定。硬度測量及換算結(jié)果見表2，結(jié)果表明，彎管接頭的硬度符合要求HBS≥100。

1.5 組織檢查

在A、B彎管接頭開裂位置附近，切取金相試樣，磨制拋光后對(duì)進(jìn)行組織進(jìn)行觀察分析，接頭的金相組織分別見圖8a、圖8b，組織未見異常。

2 分析與討論

從以上試驗(yàn)結(jié)果與分析可見，A、B彎管接頭的開裂性質(zhì)均為疲勞開裂，裂紋起源于彎管外壁表面，線源，源區(qū)未見冶金缺陷;對(duì)彎管接頭表面的加工情況進(jìn)行了觀察分析，未發(fā)現(xiàn)明顯的縱向和環(huán)形的劃痕、擦傷和裂紋等機(jī)械損傷。2件彎管接頭斷口形貌主要為類解理和疲勞特征，瞬斷區(qū)為韌窩特征，其中A接頭的裂紋1疲勞擴(kuò)展較充分，源區(qū)和疲勞擴(kuò)展區(qū)占整個(gè)斷面面積的70%～75%，與該接頭的工作時(shí)間較長(324 h50 min)相對(duì)應(yīng);而B接頭的裂紋4斷口形貌主要為快速擴(kuò)展的類解理形貌，擴(kuò)展區(qū)局部可見少量疲勞條帶特征，與B接頭的工作時(shí)間較短(56 h 47 min)相對(duì)應(yīng)。

表1 彎管接頭的能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)Table 1 Results of chemical composition analysis(mass fraction/%)

表2 彎管接頭的顯微硬度測試結(jié)果Table 2 Results of hardness tests HV

圖8 彎管接頭的金相組織Fig.8 Microstructure of bend joints

彎管接頭的組織和硬度均符合技術(shù)要求，斷口源區(qū)也未見材料冶金缺陷，據(jù)此可排除材質(zhì)因素導(dǎo)致彎管接頭開裂的可能。

通過分析疲勞條帶寬度隨裂紋長度變化趨勢(shì)可以在一定程度上分析彎管接頭的受載情況。一般正常的工作載荷是比較穩(wěn)定的，隨著裂紋的擴(kuò)展，由于承力面積的減小裂紋擴(kuò)展速率往往變快，體現(xiàn)在斷口上表現(xiàn)在隨著裂紋加長疲勞條帶的間距或疲勞弧線間距往往有增加的趨勢(shì)［2-3］。對(duì)A接頭裂紋1打開斷口進(jìn)行定量分析，疲勞條帶寬度隨裂紋長度變化關(guān)系曲線見圖9，可見在距離裂紋源區(qū)非常近的位置(0.11 mm)即可觀察到疲勞弧線和疲勞條帶，表明彎管接頭受到的起始應(yīng)力較大;疲勞條帶在裂紋長度的一定范圍內(nèi)(a=1～1.5 mm)，隨著裂紋長度的增加疲勞條帶寬度值呈上下波動(dòng)趨勢(shì)，并不隨著裂紋長度的增加而增大，可以推斷彎管接頭主要受到振動(dòng)應(yīng)力的作用。另外，結(jié)合斷口的形貌特征:裂紋源為多個(gè)線源，源區(qū)較粗糙，擴(kuò)展區(qū)平坦且所占斷面面積較大，這些也同樣表明A彎管接頭所受的起始應(yīng)力較大［4-6］。

綜上可見，彎管接頭的開裂性質(zhì)為疲勞開裂，裂紋起源于彎管外壁表面。A彎管接頭裂紋1的擴(kuò)展方向?yàn)?從彎管接頭的外壁起源后，沿著壁厚向內(nèi)壁方向以及沿著管的周向從源區(qū)開始向兩側(cè)擴(kuò)展。A彎管接頭起始應(yīng)力較大，在振動(dòng)應(yīng)力的作用下裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展。B彎管接頭螺牙底部的裂紋應(yīng)在較大應(yīng)力下快速擴(kuò)展形成。

3 結(jié)論

1)彎管接頭的開裂性質(zhì)均為疲勞開裂，裂紋起源于彎管接頭外壁表面。

2)彎管接頭的組織和硬度符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3)A彎管接頭受到較大起始應(yīng)力，在振動(dòng)應(yīng)力的作用下裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展;B彎管接頭螺牙底部的裂紋應(yīng)在較大應(yīng)力下快速擴(kuò)展形成。

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