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        某型飛機耳片結(jié)構(gòu)疲勞斷口分析

        2016-05-30 10:48:04鄭參謀
        科技創(chuàng)新導報 2016年14期
        關鍵詞:耳片

        鄭參謀

        摘 要:疲勞斷裂是導致工程結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞的主要原因,針對某型飛機耳片結(jié)構(gòu)發(fā)生的破壞問題,對其疲勞損傷和斷裂機理進行斷口分析,確定了該耳片結(jié)構(gòu)的開裂性質(zhì),并定量地給出了耳片孔邊裂紋萌生壽命及裂紋擴展壽命,為類似耳片結(jié)構(gòu)斷口分析提供了參考。

        關鍵詞:耳片 疲勞斷裂 斷口分析 裂紋擴展

        中圖分類號:V215 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2016)05(b)-0001-03

        該文對某型飛機耳片結(jié)構(gòu)進行斷口宏觀與微觀觀察、能譜分析和斷口定量分析,結(jié)合耳片硬度、金相組織、低倍流線和化學成分的檢測結(jié)果,確定了耳片結(jié)構(gòu)的開裂性質(zhì),計算反推出了裂紋的擴展壽命和萌生壽命。

        1 試驗簡介

        需對某型飛機耳片結(jié)構(gòu)(2024-T351鋁合金材料)分別進行疲勞試驗和裂紋擴展試驗。進行疲勞試驗前,已對該耳片結(jié)構(gòu)進行了缺口預制(共兩處,均為角裂紋形狀,且尺寸相同)如圖1所示,目的是通過疲勞試驗,在預制缺口尖端出現(xiàn)約1 mm可見疲勞裂紋,之后再進行裂紋擴展試驗。

        將耳片結(jié)構(gòu)如圖2所示進行安裝固定,采用應力比R=0.1等幅譜,按如圖1所示加載方向進行疲勞試驗。經(jīng)過45 000次疲勞試驗后,耳片1開裂,耳片2未出裂紋,如圖3所示。

        2 斷口分析

        2.1 斷口宏、微觀觀察

        將耳片1裂紋人為打開,斷口宏觀形貌見圖4(a),源區(qū)位于缺口處,呈線源,整個裂紋斷面平坦,裂紋從缺口起始后沿耳片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)放大后未見冶金缺陷,見圖4(b)。

        2.2 斷口定量分析

        該文采用疲勞條帶作為定量分析參量,從疲勞源區(qū)開始對擴展區(qū)內(nèi)的疲勞條帶進行測定,每個測定點及其附近區(qū)域測量三次,取平均值作為該處的疲勞條帶間距,即疲勞裂紋擴展速率,測定結(jié)果見表1。采用列表梯形法(見公式1)計算疲勞擴展壽命,列入表1中Ni。由表1可得: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。

        式(1)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。

        總的試驗循環(huán)為45 000循環(huán)周次,通過斷口定量分析,可知耳片裂紋擴展壽命為33 283循環(huán)周次,則裂紋萌生壽命為11 717循環(huán)周次。

        2.3 低倍流線檢查

        在耳片裂紋附近按如圖5所示分別制取3個方向的金相試樣,磨制拋光低倍腐蝕后進行低倍流線觀察。從觀察結(jié)果可知,1#取樣為LT方向,2#取樣為LS方向,3#取樣為TS方向,由此可知,耳片的L、T、S方向分別對應接頭的長度、寬度和厚度方向(見圖6)。

        2.4 金相組織檢查

        對耳片不同方向下制取金相試樣,磨制拋光后進行金相組織觀察,耳片的金相組織為α-Al和粗大質(zhì)點相,3個方向金相組織分別見圖7(a)~7(c)。

        2.5 硬度測定

        分別在耳片的L、T、S方向制取硬度試樣,磨制拋光后進行維氏硬度測試,結(jié)果見表2。由表2可知,耳片3個方向的硬度值均符合技術要求。

        2.6 化學成分分析

        通過對耳片人為打開斷口進行能譜分析和試末法化學成分檢測,測試結(jié)果見表3。由表3可知,能譜分析結(jié)果中Cu元素高于技術要求,試末法測試結(jié)果表明耳片化學成分符合2024-T351鋁合金技術要求。

        3 結(jié)語

        3.1 失效性質(zhì)分析

        耳片1存在裂紋,裂紋起源于缺口處,沿著耳片的寬度和厚度方向同時疲勞擴展,斷面上可見大量的細密疲勞條帶,由此判斷耳片的失效性質(zhì)為疲勞斷裂。

        3.2 材質(zhì)分析

        耳片化學成分符合2024-T351鋁合金技術要求;耳片的低倍流線L、T、S方向與材料取向方向一致;耳片的高倍金相組織未見明顯異常;耳片3個方向的硬度值均符合技術要求。由此可知,耳片的材質(zhì)和加工方向符合技術要求。

        3.3 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33 283循環(huán)周次,萌生壽命為11 717循環(huán)周次。

        參考文獻

        [1] 趙榮國,羅希延,蔣永洲,等.航空發(fā)動機渦輪輪盤用GH4133B合金疲勞損傷與斷口分析[J].機械工程學報,2011,47(6):92-100.

        [2] 傅祥炯.結(jié)構(gòu)疲勞與斷裂[M].西安:西北工業(yè)大學出版社,1995.

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