鄭參謀

上海飛機設計研究院強度部

概述

本文通過對某型飛機耳片（叉耳）結構進行斷口宏、微觀觀察，確定了耳片的失效性質，計算反推出了耳片孔邊裂紋萌生壽命及裂紋擴展壽命，并給出了裂紋長度與擴展壽命之間的對應關系，為類似耳片結構斷口定量分析提供了參考和指導。

試驗簡介

某型飛機耳片結構上含有兩處預制缺（切）口，其尺寸相同，分別位于叉耳的內/外側（編號1、2），為孔邊角裂紋，見圖1。需對該耳片結構先進行疲勞試驗，待預制缺口尖端出現可見疲勞裂紋（約1～2mm）后，再進行裂紋擴展試驗。

圖1 預制缺口示意圖

圖2 載荷方向示意圖

圖3 試驗安裝示意圖

采用等幅譜進行試驗，應力比R=0.1，叉耳中插入銷棒，在銷棒上如圖2 所示方向進行加載，使載荷平均分配在兩耳片上，預制缺口對稱線均與試驗載荷方向垂直。銷棒材料為45#鋼，耳片材料為2024-T351 鋁合金。試驗在專用試驗夾具上進行，安裝示意圖見圖3。經過45000 次疲勞試驗后，耳片1（預制缺口1）發(fā)生開裂，耳片2（預制缺口2）疲勞裂紋未萌生，見圖4。

斷口宏、微觀分析

將耳片1 裂紋人為打開，斷口宏觀形貌見圖5a，源區(qū)位于缺（切）口處，呈線源，整個裂紋斷面平坦，裂紋從切口起源后沿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(qū)約占整個斷面面積的90%。

源區(qū)放大未見冶金缺陷，見圖5b；裂紋擴展前、中、后期可見大量細密的疲勞條帶，疲勞條帶寬度分別約為0.3～0.4μm，0.3～0.4μm 和0.7～1.7μm，分別見圖5c～5e；疲勞區(qū)與人為打開可見明顯的分界，見圖5f；人為打開區(qū)為韌窩+顆粒相形貌，見圖5g。

斷口定量分析

耳片裂紋擴展壽命和萌生壽命定量反推

結合耳片斷面上可見大量細密的疲勞條帶，且疲勞條帶形貌與等幅譜載荷存在對應關系，因此，本文采用疲勞條帶作為定量分析的參量。

為了確定耳片斷口裂紋擴展壽命，從疲勞源區(qū)開始對擴展區(qū)內的疲勞條帶進行了測定，在每個測定點及其附近的區(qū)域測量三次取平均值作為該處的疲勞條帶間距，也即疲勞裂紋擴展速率，測定的數據見表1。耳片斷口從距源區(qū)0.01mm 即可看到疲勞條帶形貌，距源區(qū)17.85mm為疲勞擴展與人為打開區(qū)交界處。

圖4 耳片1 破壞圖

圖5 耳片1 斷口形貌

利用表1 中數據進行曲線擬合，可以得到疲勞裂紋擴展速率與裂紋長度之間的關系曲線，見圖6。采用列表梯形法計算疲勞擴展壽命（見公式1），具體計算數據列入表1 的Ni 欄內。耳片從距源區(qū)0.01mm 到17.85mm 范圍內的疲勞擴展壽命為33283 循環(huán)周次。

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

圖6 耳片斷口裂紋擴展速率與裂紋長度的關系曲線圖

表1 耳片斷口主裂紋疲勞條帶相關數據

裂紋長度與擴展壽命之間關系分析

本次試驗耳片共經歷了45000 循環(huán)周次，即總的疲勞壽命為45000 循環(huán)周次，通過斷口定量分析，可知耳片的裂紋擴展壽命為33283 循環(huán)周次。根據裂紋萌生壽命等于總壽命減去擴展壽命，計算反推出裂紋萌生壽命為11717 循環(huán)周次。將不同裂紋長度下的擴展壽命和總壽命列于表2。利用表2 數據擬合曲線，得到擴展壽命和總壽命與裂紋長度之間的關系曲線，分別見圖7 和圖8。

表2 耳片裂紋長度與循環(huán)周次之間的數據

圖7 裂紋長度與擴展壽命之間關系曲線

圖8 裂紋長度與總壽命之間關系曲線

結語

（1）失效性質分析

耳片1 存在裂紋，裂紋幾乎貫穿耳片寬度和厚度方向，裂紋起源于缺（切）口處，沿著耳片寬度和厚度方向同時擴展，斷面上可見大量細密疲勞條帶，由此判斷耳片的失效性質為疲勞開裂。

（2）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33283 循環(huán)周次，萌生壽命為11717 循環(huán)周次，并得到了擴展壽命和總壽命與裂紋長度之間的關系曲線。