LY12 角片斷裂分析

徐心潔，林文欽，胡成江，路 寒，蔣洪俊

（航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，成都 610091）

0 引言

LY12 鋁合金屬于Al-Cu-Mg 系熱處理強(qiáng)化鋁合金，強(qiáng)度高、密度小，通過適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に嚳梢允蛊浍@得優(yōu)良的力學(xué)性能。LY 鋁合金被廣泛地應(yīng)用在航天、航空領(lǐng)域，還用于建筑與交通運(yùn)輸工具的結(jié)構(gòu)件[1-3]。

疲勞是航空零部件失效的主要形式之一，目前，對于鋁合金的疲勞失效相關(guān)研究多集中在疲勞失效理論、疲勞壽命預(yù)測以及建模仿真方面[4-9]，針對實(shí)際工況下角片這一特殊連接類零件的疲勞失效案例所進(jìn)行的具體分析與改良的研究幾乎沒有。為數(shù)不多的、與角片相類似的飛機(jī)連接件的分析研究將重點(diǎn)放在如何合理改進(jìn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面[10]。但對于已經(jīng)基本定型的機(jī)型來說，研究者更傾向于在不對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行顯著更改的前提下有效提高連接件的疲勞性能。

本研究通過對失效角片進(jìn)行理化檢驗(yàn)和分析討論，確定角片的斷裂原因，并在不對飛機(jī)結(jié)構(gòu)做出較大修改的前提下提出有實(shí)用性的改進(jìn)建議。

1 失效件概況

對飛機(jī)進(jìn)行地面例行檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)用于固定液壓管的LY12 角片發(fā)生斷裂（圖1），且該角片斷裂時(shí)，飛機(jī)已使用過一段時(shí)間。角片的熱處理工藝為CZ（淬火+自然時(shí)效），其主要工藝流程為：下料→機(jī)械加工→半成品檢驗(yàn)→分光檢查→硬度檢查→鉻酸陽極化、鉻酸鹽封閉→成品檢驗(yàn)。安裝在其他部位的相同牌號材料、相同熱處理工藝的角片亦出現(xiàn)類似的斷裂現(xiàn)象。

圖1 角片零件示意圖Fig.1 Sketch map of the corner plate

2 檢驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 宏觀分析

經(jīng)肉眼觀察，裂紋主要分布在靠近角片直角邊R 角部位，并沿直角邊橫向貫穿；斷口有一定起伏，起伏最高點(diǎn)基本在斷口中間部位，該處還有一條二次裂紋延伸至角片背面和底部；斷口整體較為干凈，呈銀灰色，局部有少量黑色污染物（圖2a）。為便于后續(xù)描述，將斷口朝向托板螺母的一側(cè)定義為內(nèi)表面，另一側(cè)定義為外表面（圖2b）。

圖2 角片斷裂位置及斷口宏觀形貌圖Fig.2 Fracture location and macrograph of the fracture

2.2 斷口微觀分析

斷口整體較為平坦，有2 處明顯的點(diǎn)源（圖3a中源區(qū)A、B）。2 個(gè)源區(qū)均從斷口靠近內(nèi)表面一側(cè)起源，擴(kuò)展棱線方向均是由內(nèi)表面向外表面擴(kuò)展；源區(qū)均未見夾雜、孔洞等冶金缺陷和加工痕跡，且源區(qū)A 較源區(qū)B 更為平坦，說明源區(qū)B 受到的應(yīng)力比源區(qū)A 更大（圖3b、圖3c）。斷口擴(kuò)展區(qū)為典型的鋁合金滑移形貌，且可觀察到明顯的疲勞弧線和疲勞條帶（圖4d、圖4e），這屬于疲勞裂紋擴(kuò)展階段斷面上最重要的顯微特征[8]。由斷口的微觀檢查結(jié)果可知，角片的斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂。用能譜儀對斷口進(jìn)行檢測，結(jié)果見表1，可見源區(qū)A、B 與其他部位的主要成分均一致，未見明顯腐蝕性元素和夾雜類冶金缺陷。

表1 斷口源區(qū)及其他部位能譜成分檢測結(jié)果表（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）Table 1 EDS analysis results of the fracture source region and other region (mass fraction/%)

圖3 斷口微觀形貌Fig.3 Micro-morphology of the fracture

2.3 金相檢查

在斷口附近沿平行于斷口方向制取金相試樣，用Keller’s 腐蝕劑腐蝕后進(jìn)行觀察。鋁合金出現(xiàn)以下3 種特征之一即可判為過燒：1）復(fù)熔共晶球；2）晶界局部復(fù)熔加寬；3）在3 個(gè)晶粒交界處出現(xiàn)復(fù)熔三角形[9]。過燒會(huì)使材料力學(xué)性能惡化，尤其強(qiáng)度及延伸率、疲勞性能會(huì)大大降低。實(shí)際檢查結(jié)果顯示：角片的金相組織正常，未見上述過燒特征（圖4）。根據(jù)腐蝕后觀察到的試樣低倍下顯示出的金屬流線方向，可以判定角片的實(shí)際流線方向?yàn)閳D5 所示的方向。

圖5 角片流線方向示意圖Fig.5 Sketch map of streamline direction

圖4 金相組織形貌Fig.4 Microstructure

2.4 化學(xué)成分分析

使用真空直讀光譜儀對角片的化學(xué)成分進(jìn)行檢測，結(jié)果見表2，可知角片的主要化學(xué)成分符合GB/T 3190—2008 要求。

表2 化學(xué)成分分析結(jié)果表（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）Table 2 Results of chemical composition analysis (mass fraction/%)

2.5 硬度檢測

根據(jù)角片制造大綱要求，CZ（淬火+自然時(shí)效）狀態(tài)下的LY12 板材和型材的HRB≥66。由于角片在打磨去漆后，其厚度達(dá)不到HRB 硬度檢測的要求，故對角片金相試樣進(jìn)行維氏顯微硬度檢測，得到的實(shí)測平均值為HV0.1146.3。根據(jù)HB/Z 215—1992《鋁合金板材硬度與強(qiáng)度換算值》，換算硬度值約為HRB 78.8，滿足硬度要求。

3 分析與討論

根據(jù)斷裂角片宏、微觀檢查結(jié)果可知，角片的斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂；2 處點(diǎn)源均位于靠近內(nèi)表面一側(cè)，基本在托板螺母與鉚釘?shù)陌惭b位置連線上。由點(diǎn)源的微觀特征可知源區(qū)B 受到的應(yīng)力比源區(qū)A 更大，據(jù)此推測源區(qū)A 先開裂，源區(qū)B 后開裂，源區(qū)A 開裂之后由于失穩(wěn)導(dǎo)致源區(qū)B 受力更大；兩處源區(qū)開裂擴(kuò)展后在中間部位匯合，形成二次裂紋并繼續(xù)朝角片底部擴(kuò)展。根據(jù)角片多點(diǎn)源起裂以及斷口起伏較大的形貌特征可知角片受到的應(yīng)力水平較大。

角片的源區(qū)未見夾雜、孔洞等冶金缺陷，金相組織正常，硬度換算值符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，故可排除因材質(zhì)不符合標(biāo)準(zhǔn)要求導(dǎo)致疲勞開裂的可能性，所以角片的斷裂應(yīng)主要與其受力有關(guān)。

角片的開裂源區(qū)基本上是在托板螺母與鉚釘?shù)陌惭b位置連線上，且均在角片內(nèi)表面，靠近角片內(nèi)R 角處，此處從整體結(jié)構(gòu)上來看存在一定的應(yīng)力集中，屬于整個(gè)零件的薄弱部位。鋁合金的突出弱點(diǎn)是其疲勞強(qiáng)度對應(yīng)力集中比較敏感，且隨著硬度的提高，這一敏感程度增大[10]。根據(jù)角片的裝配形式示意圖（圖6），角片是2 顆鉚釘固定在框上的，通過2 顆托板螺母與夾具相連固定液壓管，除此以外并無其他固定裝置，即夾具只有上方固定，其他方向均懸空，形成懸臂梁結(jié)構(gòu)。這種情況下會(huì)對板材產(chǎn)生局部彎曲，引起零件局部應(yīng)力偏高[11]。角片在飛機(jī)上的安裝位置（靠近發(fā)動(dòng)機(jī)艙）決定了其在使用過程中會(huì)受到較大的、持續(xù)不斷的外部振動(dòng)應(yīng)力，所以角片最終從零件最薄弱部位即R 角內(nèi)表面起裂并擴(kuò)展至外表面造成斷裂?；诖耍跅l件允許的情況下可以考慮增加夾具的固定裝置。

圖6 角片裝配形式示意圖Fig.6 Assembly form diagram of the corner plate

另外，根據(jù)對角片的金相檢查結(jié)果可知，其流線方向與斷口方向相平行。由斷口從內(nèi)表面向外表面擴(kuò)展的實(shí)際情況，可以看出角片受力方向與其流線方向相垂直。對零件來說，受力方向與流線方向一致可以提高零件的抗力水平。金屬流線使金屬的力學(xué)性能具有明顯的方向性，縱向上的強(qiáng)度、塑性和韌性顯著大于橫向上的；沿纖維方向的強(qiáng)度和塑性明顯高于垂直方向的[12]。因此，將角片的材料由型材改為鈑金件，并在下料時(shí)保證其流線方向與受力方向一致是有一定可行性的改良方法。但考慮到在實(shí)際情況中不同的安裝位置受力方向不同，無法保證零件的受力方向與其流線方向一致，所以將角片更換成抗疲勞強(qiáng)度更高的材料更有可行性。

綜合飛機(jī)在零件生產(chǎn)和裝配過程中的實(shí)際情況以及從設(shè)計(jì)方面出發(fā)的改良可行性，后續(xù)采取的改進(jìn)措施是將角片的材料更改為1Cr18Ni9Ti，在實(shí)際應(yīng)用中有效延長了角片的使用壽命。

4 結(jié)論

1）角片的斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂，斷裂是由零件的裝配結(jié)構(gòu)與實(shí)際受力的綜合作用所致。

2）對角片所連接的夾具增加額外固定裝置，角片材料更換成抗疲勞強(qiáng)度更高的材料（如不銹鋼），可延長其使用壽命。