陳 星，劉新靈

(1.北京航空材料研究院，北京 100095;2.航空材料檢測與評價北京市重點實驗室，北京 100095;3.中航工業(yè)失效分析中心，北京 100095)

0 引言

疲勞斷裂是結(jié)構(gòu)零部件失效的主要模式，據(jù)統(tǒng)計，由于結(jié)構(gòu)部件失效導致的重大事故中80%左右與疲勞斷裂有關(guān)。一般采用檢修周期來控制構(gòu)件疲勞裂紋的擴展危害。在外場，針對在役結(jié)構(gòu)件一般采用渦流和超聲檢測，滲透檢測也時常被采用。滲透檢測一般檢測工件的表面開口缺陷或表面裂紋，通過毛細作用對工件進行檢測。當工件表面狀況較差或被覆蓋，滲透檢測效果相對較差，有時會造成誤判或漏判，給工件或構(gòu)件定壽工作帶來困擾，甚至造成重大的事故或經(jīng)濟損失。結(jié)構(gòu)的壽命取決于結(jié)構(gòu)危險部位裂紋的萌生與擴展，通過斷口定量分析可得出構(gòu)件在實際工作過程中的疲勞裂紋擴展速率，不但對深入分析失效原因提供依據(jù)，還可實現(xiàn)對零部件進行疲勞壽命估算，可確定構(gòu)件形成裂紋的時間，評價其制造質(zhì)量、檢測周期的合理性，解決工程實際問題［1-5］。

前起收放作動筒接頭耳片(2024－T351 鋁合金)在進行損傷容限試驗，每5 000 循環(huán)周次進行滲透無損檢測并記錄裂紋長度，經(jīng)過45 000 次疲勞循環(huán)后，耳片從預制缺口處第一次檢測出裂紋，此時裂紋長度接近穿透耳片厚度。由于裂紋擴展太快，作為損傷容限試驗不成功，為了驗證耳片的實際開裂時間和擴展速率，采用了疲勞斷口定量分析技術(shù)。

本研究對接頭耳片進行失效分析和斷口定量分析，給出耳片的開裂時間和擴展速率，并對其檢測方案進行改進和優(yōu)化，以獲得更多的數(shù)據(jù)來支撐后期的損傷容限試驗，為接頭耳片的定壽提供重要的技術(shù)力量。

1 試驗過程與結(jié)果

1.1 外觀觀察

前起收放作動筒進行損傷容限模擬試驗，試驗件主要包括前起收放作動筒接頭和周圍的約束鋼板及其他支撐結(jié)構(gòu)。在接頭上方、下方、側(cè)方均連接有鋼板來模擬實際結(jié)構(gòu)剛度。該接頭包含2個耳片，耳片孔內(nèi)(無襯套)插入銷棒，在銷棒上進行加載來模擬實際的收放作動筒載荷(圖1a)。本試驗為損傷容限試驗，需在接頭上預制缺口，缺口分別位于耳片1 的內(nèi)側(cè)和耳片2 的外側(cè)，并在試驗過程中監(jiān)測裂紋擴展的實際過程，每5 000循環(huán)周次進行滲透無損檢測并記錄裂紋長度，經(jīng)過45 000 次疲勞試驗后，耳片1 發(fā)生開裂，且裂紋已穿透耳片孔內(nèi)壁和壁厚(圖1b)，耳片2 疲勞裂紋未萌生。與實際計算裂紋擴展速率不符，也未能完成損傷容限試驗中的裂紋擴展數(shù)據(jù)采集工作，給后期設(shè)計造成了困擾。

1.2 斷口宏微觀觀察

耳片1 裂紋斷口宏觀形貌見圖2a，源區(qū)位于切口處，呈線源，整個裂紋斷面平坦，裂紋從切口起源后沿孔內(nèi)壁和寬度方向同時擴展，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%。將斷口源區(qū)放大未見冶金缺陷(圖2b);裂紋擴展前、中、后期可見大量細密的疲勞條帶，疲勞條帶寬度分別為0.3～0.4 μm，0.3～0.4 μm 和0.7～1.7 μm(圖2c～圖2e);疲勞區(qū)人為打開可見明顯的分界，人為打開區(qū)為韌窩+顆粒相形貌(圖2f)。

圖1 耳片裂紋位置Fig.1 Crack position of lug

1.3 斷口定量分析

疲勞斷裂過程分為疲勞裂紋的萌生、擴展、失穩(wěn)擴展直至斷裂3 個階段。在這3 個階段中，在疲勞斷口上可能留下有疲勞弧線、疲勞條帶、疲勞溝線(疲勞臺階線)、臨界裂紋長度、瞬斷區(qū)大小等特征，其定量分析的基礎(chǔ)就是對這些特征的位置、間距和大小等進行研究，并建立與失效因素之間的聯(lián)系。在疲勞載荷作用下，每循環(huán)的平均裂紋擴展量以da/dN 表示。廣義的講，這里的每個循環(huán)可以是簡單的一個應力循環(huán)，也可以是一個譜塊的循環(huán)。裂紋擴展速率是一個通用概念，根據(jù)具體的加載條件和有規(guī)律的疲勞特征，在疲勞斷口定量分析的內(nèi)涵中，裂紋擴展速率可能是以疲勞條帶間距來表征的參數(shù)，也可能是以疲勞弧線間距或疲勞小弧線間距作為表征的參數(shù)。運用Paris 公式或梯形公式，對構(gòu)件的壽命進行反推［1，6－7］。

圖2 耳片斷口形貌Fig.2 Appearance of the lug fracture

本試驗是以60.973 kN 為最大載荷構(gòu)成的等幅譜進行裂紋擴展試驗，應力比R=0.1，即最小載荷6.097 kN。2 耳片中插入銷棒，在銷棒上如圖1 中紅色箭頭方向進行加載(即載荷平均分配在2 耳片上)，且預制缺口對稱線均與試驗載荷方向垂直。結(jié)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(guān)系，因此采用疲勞條帶作為定量分析的參量。從疲勞源區(qū)開始對擴展區(qū)內(nèi)的疲勞條帶進行測定，結(jié)果見表1。利用表1 中數(shù)據(jù)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(guān)系曲線(圖3a)。采用列表梯形法計算疲勞擴展壽命(公式1)，具體計算數(shù)據(jù)列入表1 的Ni欄內(nèi)。耳片從距源區(qū)0.01～17.85 mm 范圍內(nèi)的疲勞擴展壽命為33 283 循環(huán)周次，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11 717 循環(huán)周次。

由于裂紋位于1#耳片孔內(nèi)側(cè)，考慮到滲透檢測只能發(fā)現(xiàn)表面裂紋的特性，運用同樣方法確定裂紋擴展至孔壁另一側(cè)和穿透耳片厚度時的壽命。對耳片從源區(qū)沿孔內(nèi)壁和厚度2 個路徑的擴展速率進行測量，擬合曲線見圖3b。由圖可知，耳片在孔內(nèi)壁和厚度方向的擴展壽命分別為31 525、23 596 循環(huán)周次，基于萌生壽命一致，耳片穿透孔內(nèi)壁和厚度時間分別為43 242、35 313 循環(huán)周次。根據(jù)滲透可檢裂紋長度0.3 mm 進行計算，則厚度方向裂紋長度為0.3mm時的壽命值為12 877 循環(huán)周次。之所以厚度方向(外表面)到35 313 循環(huán)周次也未發(fā)現(xiàn)，與裂紋位于2個耳片之間檢測位置不利于觀察有關(guān)(圖4)。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3 耳片斷口定量分析數(shù)據(jù)曲線Fig.3 Curves of quantitative analysis data

表1 耳片斷口主裂紋疲勞條帶相關(guān)數(shù)據(jù)Table 1 Data on fatigue striations of the main fracture

圖4 裂紋擴展不同位置壽命值Fig.4 Life of different position of crack

1.4 材質(zhì)檢查

在耳片裂紋方向制取硬度試樣，磨制拋光后進行維氏硬度測試，可知耳片硬度值較均勻，平均值為HBS 136～145，符合技術(shù)要求(≥HBS 135)。將硬度試樣腐蝕后進行低倍流線觀察和金相組織觀察，耳片的L、T、S 方向分別對應接頭的長度、寬度和厚度方向。耳片的金相組織均勻，為α－Al 和粗大質(zhì)點相，未見異常(圖5);對耳片采用化學試末法進行化學成分測試，測試結(jié)果可知耳片化學成分符合2024－T351 鋁合金技術(shù)要求。

2 分析與討論

半個多世紀以來，飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計思想經(jīng)歷了不斷完善的發(fā)展過程，正朝著滿足高機動性、高經(jīng)濟性、高可靠性、高出勤率、長壽命、低維修成本的綜合設(shè)計技術(shù)與分析方法方向發(fā)展，經(jīng)歷了靜強度設(shè)計、氣動彈性設(shè)計、疲勞安全壽命設(shè)計、安全壽命/破損－安全設(shè)計、耐久性/損傷容限設(shè)計、可靠性設(shè)計的設(shè)計發(fā)展過程。耐久性定壽是根據(jù)斷裂力學概念不斷地確定修理周期(修理壽命)連續(xù)進行定壽，使總壽命不低于設(shè)計使用壽命;損傷容限則是通過對裂紋從可檢裂紋到臨界裂紋的擴展來確定檢查周期(檢查間隔)，使得結(jié)構(gòu)滿足規(guī)定的剩余強度要求，保證飛機結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。因此，耐久性/損傷容限定壽的基本思想可描述為:飛機結(jié)構(gòu)用耐久性設(shè)計定壽，用損傷容限設(shè)計保證安全［2，8］。

圖5 耳片低倍流線和金相組織Fig.5 Flow-line and metallurgical structure of lug

前起收放作動筒接頭損傷容限試驗也是在預制裂紋前提下，獲得結(jié)構(gòu)件的裂紋擴展相關(guān)數(shù)據(jù)，通過每5 000 循環(huán)采用滲透無損檢測進行監(jiān)測實現(xiàn)。定量分析結(jié)果表明，作動筒接頭耳片裂紋為典型的疲勞擴展，擴展速率穩(wěn)定，接頭耳片的總壽命為45 000 循環(huán)周次，裂紋萌生壽命為11 717 循環(huán)周次，那么從11 717～40 000 循環(huán)周次應6 次滲透無損檢測，但均出現(xiàn)了漏檢。由于裂紋擴展時一般呈弧形特征，中部擴展較快，邊緣擴展較慢，若以滲透可檢裂紋長度0.3 mm 進行計算，那么厚度方向裂紋長度為0.3 mm 時的壽命值為12 877 循環(huán)周次，從12 877～40 000 循環(huán)周次應6 次滲透無損檢測，也均出現(xiàn)了漏檢。

接下來對滲透檢測漏檢進行相關(guān)分析，原因可能存在以下幾個方面:首先，構(gòu)件的裂紋擴展呈弧形，中部較邊緣擴展快，也就說首先產(chǎn)生的是內(nèi)部裂紋，運用滲透檢測方法采集的數(shù)據(jù)會存在偏差;第二，滲透檢測是一種以毛細作用原理為基礎(chǔ)的檢測表面開口缺陷的無損檢測方法，裂紋越細小，毛細作用越明顯。滲透檢測受表面狀況影響較大，由于試驗過程中銷棒對孔內(nèi)壁表面的擠壓損傷，而導致裂紋張口被覆蓋，也在一定程度上影響滲透檢測的效果;第三，本試驗采用的離線滲透檢測，前起收放作動筒接頭采用的是塑性較好鋁合金制造，裂紋閉合效果好，可能導致滲透液未能濕潤影響了檢測效果;第四，裂紋沿著內(nèi)壁和厚度方向擴展，孔1 缺口處于2 個耳片之間，當裂紋沿孔厚度方向擴展，可能會影響觀察視線，影響檢測效果。

根據(jù)以上分析情況，為了更準確獲得前起收放作動筒接頭損傷容限試驗數(shù)據(jù)，可采取如下改進措施:

1)采用在線噴滲透液方法，可降低由于裂紋閉合而造成的漏檢;

2)結(jié)合渦流檢測方法，可很好的解決內(nèi)部裂紋的漏檢;

3)試驗結(jié)束后增加斷口定量分析，以驗證試驗測試的準確性。

以上措施采取多種檢測手段，可提高檢測精度，為損傷容限試驗獲得更多數(shù)據(jù)打下堅實基礎(chǔ)，為后期前起收放作動筒接頭耐久性定壽、檢查周期等設(shè)計參數(shù)提供依據(jù)。

3 結(jié)論

1)前起收放作動筒接頭裂紋性質(zhì)為疲勞開裂，主裂紋萌生壽命為11 717 循環(huán)周次，從11 717～40 000循環(huán)周次共6 次滲透無損檢測均出現(xiàn)了漏檢。

2)采用在線噴滲透液方法、結(jié)合渦流檢測方法以及增加斷口定量分析技術(shù)等措施，可更好地完成前起收放作動筒損傷容限試驗。

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