彎管接頭開裂分析

董唯莉，胡春燕，劉新靈，盧增威

(1.中航工業(yè)沈陽飛機工業(yè)(集團)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)良的強度與韌性，較小的密度，因而以其良好的比強度、比剛度等綜合性能而廣泛應用于航空航天工業(yè)［1］。某飛機飛行后例行檢查時，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件接頭的工作時間為324 h50 min(以下簡稱A接頭)，另1件接頭的工作時間為56 h47 min(以下簡稱B接頭)。彎管接頭為鋁合金鍛件，材料牌號為LD5CS，加工工序為:鍛造→熱處理→機加工→熒光檢查→陽極化→油濾器安裝→裝配。

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

1 試驗過程與結果

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。其中較細的一端與油濾相連，并固定在飛機上;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展，再沿圓周方向擴展，擴展區(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展的類解理特征，表明裂紋4應在較大的應力下快速擴展形成，擴展區(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)進行能譜分析，結果見表1?？梢姀澒芙宇^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行顯微硬度測定。硬度測量及換算結果見表2，結果表明，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，磨制拋光后對進行組織進行觀察分析，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

從以上試驗結果與分析可見，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;對彎管接頭表面的加工情況進行了觀察分析，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疲勞擴展較充分，源區(qū)和疲勞擴展區(qū)占整個斷面面積的70%～75%，與該接頭的工作時間較長(324 h50 min)相對應;而B接頭的裂紋4斷口形貌主要為快速擴展的類解理形貌，擴展區(qū)局部可見少量疲勞條帶特征，與B接頭的工作時間較短(56 h 47 min)相對應。

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

表2 彎管接頭的顯微硬度測試結果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，隨著裂紋的擴展，由于承力面積的減小裂紋擴展速率往往變快，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［2-3］。對A接頭裂紋1打開斷口進行定量分析，疲勞條帶寬度隨裂紋長度變化關系曲線見圖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趨勢，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應力的作用。另外，結合斷口的形貌特征:裂紋源為多個線源，源區(qū)較粗糙，擴展區(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的擴展方向為: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)開始向兩側擴展。A彎管接頭起始應力較大，在振動應力的作用下裂紋進一步擴展。B彎管接頭螺牙底部的裂紋應在較大應力下快速擴展形成。

3 結論

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準要求。

3)A彎管接頭受到較大起始應力，在振動應力的作用下裂紋進一步擴展;B彎管接頭螺牙底部的裂紋應在較大應力下快速擴展形成。

［1］蔡宏偉，王春亮，孫浩.鋁合金T型框架接頭開裂分析［J］.材料工程，2006(S1):60－63.

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