LY12 角片断裂分析

2021-06-15徐心洁林文钦胡成江蒋洪俊

失效分析与预防 2021年2期

徐心洁，林文钦，胡成江，路寒，蒋洪俊

（航空工业成都飞机工业（集团）有限责任公司，成都 610091）

0 引言

LY12 铝合金属于Al-Cu-Mg 系热处理强化铝合金，强度高、密度小，通过适当的热处理工艺可以使其获得优良的力学性能。LY 铝合金被广泛地应用在航天、航空领域，还用于建筑与交通运输工具的结构件[1-3]。

疲劳是航空零部件失效的主要形式之一，目前，对于铝合金的疲劳失效相关研究多集中在疲劳失效理论、疲劳寿命预测以及建模仿真方面[4-9]，针对实际工况下角片这一特殊连接类零件的疲劳失效案例所进行的具体分析与改良的研究几乎没有。为数不多的、与角片相类似的飞机连接件的分析研究将重点放在如何合理改进飞机结构设计方面[10]。但对于已经基本定型的机型来说，研究者更倾向于在不对结构设计进行显著更改的前提下有效提高连接件的疲劳性能。

本研究通过对失效角片进行理化检验和分析讨论，确定角片的断裂原因，并在不对飞机结构做出较大修改的前提下提出有实用性的改进建议。

1 失效件概况

对飞机进行地面例行检查时，发现用于固定液压管的LY12 角片发生断裂（图1），且该角片断裂时，飞机已使用过一段时间。角片的热处理工艺为CZ（淬火+自然时效），其主要工艺流程为：下料→机械加工→半成品检验→分光检查→硬度检查→铬酸阳极化、铬酸盐封闭→成品检验。安装在其他部位的相同牌号材料、相同热处理工艺的角片亦出现类似的断裂现象。

图1 角片零件示意图Fig.1 Sketch map of the corner plate

2 检验及结果分析

2.1 宏观分析

经肉眼观察，裂纹主要分布在靠近角片直角边R 角部位，并沿直角边横向贯穿；断口有一定起伏，起伏最高点基本在断口中间部位，该处还有一条二次裂纹延伸至角片背面和底部；断口整体较为干净，呈银灰色，局部有少量黑色污染物（图2a）。为便于后续描述，将断口朝向托板螺母的一侧定义为内表面，另一侧定义为外表面（图2b）。

图2 角片断裂位置及断口宏观形貌图Fig.2 Fracture location and macrograph of the fracture

2.2 断口微观分析

断口整体较为平坦，有2 处明显的点源（图3a中源区A、B）。2 个源区均从断口靠近内表面一侧起源，扩展棱线方向均是由内表面向外表面扩展；源区均未见夹杂、孔洞等冶金缺陷和加工痕迹，且源区A 较源区B 更为平坦，说明源区B 受到的应力比源区A 更大（图3b、图3c）。断口扩展区为典型的铝合金滑移形貌，且可观察到明显的疲劳弧线和疲劳条带（图4d、图4e），这属于疲劳裂纹扩展阶段断面上最重要的显微特征[8]。由断口的微观检查结果可知，角片的断裂性质为疲劳断裂。用能谱仪对断口进行检测，结果见表1，可见源区A、B 与其他部位的主要成分均一致，未见明显腐蚀性元素和夹杂类冶金缺陷。

表1 断口源区及其他部位能谱成分检测结果表（质量分数/%）Table 1 EDS analysis results of the fracture source region and other region (mass fraction/%)

图3 断口微观形貌Fig.3 Micro-morphology of the fracture

2.3 金相检查

在断口附近沿平行于断口方向制取金相试样，用Keller’s 腐蚀剂腐蚀后进行观察。铝合金出现以下3 种特征之一即可判为过烧：1）复熔共晶球；2）晶界局部复熔加宽；3）在3 个晶粒交界处出现复熔三角形[9]。过烧会使材料力学性能恶化，尤其强度及延伸率、疲劳性能会大大降低。实际检查结果显示：角片的金相组织正常，未见上述过烧特征（图4）。根据腐蚀后观察到的试样低倍下显示出的金属流线方向，可以判定角片的实际流线方向为图5 所示的方向。

图5 角片流线方向示意图Fig.5 Sketch map of streamline direction

图4 金相组织形貌Fig.4 Microstructure

2.4 化学成分分析

使用真空直读光谱仪对角片的化学成分进行检测，结果见表2，可知角片的主要化学成分符合GB/T 3190—2008 要求。

表2 化学成分分析结果表（质量分数/%）Table 2 Results of chemical composition analysis (mass fraction/%)

2.5 硬度检测

根据角片制造大纲要求，CZ（淬火+自然时效）状态下的LY12 板材和型材的HRB≥66。由于角片在打磨去漆后，其厚度达不到HRB 硬度检测的要求，故对角片金相试样进行维氏显微硬度检测，得到的实测平均值为HV0.1146.3。根据HB/Z 215—1992《铝合金板材硬度与强度换算值》，换算硬度值约为HRB 78.8，满足硬度要求。

3 分析与讨论

根据断裂角片宏、微观检查结果可知，角片的断裂性质为疲劳断裂；2 处点源均位于靠近内表面一侧，基本在托板螺母与铆钉的安装位置连线上。由点源的微观特征可知源区B 受到的应力比源区A 更大，据此推测源区A 先开裂，源区B 后开裂，源区A 开裂之后由于失稳导致源区B 受力更大；两处源区开裂扩展后在中间部位汇合，形成二次裂纹并继续朝角片底部扩展。根据角片多点源起裂以及断口起伏较大的形貌特征可知角片受到的应力水平较大。

角片的源区未见夹杂、孔洞等冶金缺陷，金相组织正常，硬度换算值符合技术标准要求，故可排除因材质不符合标准要求导致疲劳开裂的可能性，所以角片的断裂应主要与其受力有关。

角片的开裂源区基本上是在托板螺母与铆钉的安装位置连线上，且均在角片内表面，靠近角片内R 角处，此处从整体结构上来看存在一定的应力集中，属于整个零件的薄弱部位。铝合金的突出弱点是其疲劳强度对应力集中比较敏感，且随着硬度的提高，这一敏感程度增大[10]。根据角片的装配形式示意图（图6），角片是2 颗铆钉固定在框上的，通过2 颗托板螺母与夹具相连固定液压管，除此以外并无其他固定装置，即夹具只有上方固定，其他方向均悬空，形成悬臂梁结构。这种情况下会对板材产生局部弯曲，引起零件局部应力偏高[11]。角片在飞机上的安装位置（靠近发动机舱）决定了其在使用过程中会受到较大的、持续不断的外部振动应力，所以角片最终从零件最薄弱部位即R 角内表面起裂并扩展至外表面造成断裂。基于此，在条件允许的情况下可以考虑增加夹具的固定装置。

图6 角片装配形式示意图Fig.6 Assembly form diagram of the corner plate

另外，根据对角片的金相检查结果可知，其流线方向与断口方向相平行。由断口从内表面向外表面扩展的实际情况，可以看出角片受力方向与其流线方向相垂直。对零件来说，受力方向与流线方向一致可以提高零件的抗力水平。金属流线使金属的力学性能具有明显的方向性，纵向上的强度、塑性和韧性显著大于横向上的；沿纤维方向的强度和塑性明显高于垂直方向的[12]。因此，将角片的材料由型材改为钣金件，并在下料时保证其流线方向与受力方向一致是有一定可行性的改良方法。但考虑到在实际情况中不同的安装位置受力方向不同，无法保证零件的受力方向与其流线方向一致，所以将角片更换成抗疲劳强度更高的材料更有可行性。

综合飞机在零件生产和装配过程中的实际情况以及从设计方面出发的改良可行性，后续采取的改进措施是将角片的材料更改为1Cr18Ni9Ti，在实际应用中有效延长了角片的使用寿命。