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(cè)與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jì)，由于結(jié)構(gòu)部件失效導(dǎo)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(kuò)展危害。在外場(chǎng)，針對(duì)在役結(jié)構(gòu)件一般采用渦流和超聲檢測(cè)，滲透檢測(cè)也時(shí)常被采用。滲透檢測(cè)一般檢測(cè)工件的表面開口缺陷或表面裂紋，通過毛細(xì)作用對(duì)工件進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)工件表面狀況較差或被覆蓋，滲透檢測(cè)效果相對(duì)較差，有時(shí)會(huì)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(jì)損失。結(jié)構(gòu)的壽命取決于結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)部位裂紋的萌生與擴(kuò)展，通過斷口定量分析可得出構(gòu)件在實(shí)際工作過程中的疲勞裂紋擴(kuò)展速率，不但對(duì)深入分析失效原因提供依據(jù)，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)零部件進(jìn)行疲勞壽命估算，可確定構(gòu)件形成裂紋的時(shí)間，評(píng)價(jià)其制造質(zhì)量、檢測(cè)周期的合理性，解決工程實(shí)際問題［1-5］。

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

本研究對(duì)接頭耳片進(jìn)行失效分析和斷口定量分析，給出耳片的開裂時(shí)間和擴(kuò)展速率，并對(duì)其檢測(cè)方案進(jìn)行改進(jìn)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(yàn)，為接頭耳片的定壽提供重要的技術(shù)力量。

1 試驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1 外觀觀察

前起收放作動(dòng)筒進(jìn)行損傷容限模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)件主要包括前起收放作動(dòng)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(shí)際結(jié)構(gòu)剛度。該接頭包含2個(gè)耳片，耳片孔內(nèi)(無襯套)插入銷棒，在銷棒上進(jìn)行加載來模擬實(shí)際的收放作動(dòng)筒載荷(圖1a)。本試驗(yàn)為損傷容限試驗(yàn)，需在接頭上預(yù)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(yàn)過程中監(jiān)測(cè)裂紋擴(kuò)展的實(shí)際過程，每5 000循環(huán)周次進(jìn)行滲透無損檢測(cè)并記錄裂紋長度，經(jīng)過45 000 次疲勞試驗(yàn)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(shí)際計(jì)算裂紋擴(kuò)展速率不符，也未能完成損傷容限試驗(yàn)中的裂紋擴(kuò)展數(shù)據(jù)采集工作，給后期設(shè)計(jì)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(gè)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(shí)擴(kuò)展，即裂紋沿著斷面斜對(duì)角方向擴(kuò)展，疲勞擴(kuò)展區(qū)約占整個(gè)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(kuò)展前、中、后期可見大量細(xì)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(kuò)展、失穩(wěn)擴(kuò)展直至斷裂3 個(gè)階段。在這3 個(gè)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(tái)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(duì)這些特征的位置、間距和大小等進(jìn)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(kuò)展量以da/dN 表示。廣義的講，這里的每個(gè)循環(huán)可以是簡(jiǎn)單的一個(gè)應(yīng)力循環(huán)，也可以是一個(gè)譜塊的循環(huán)。裂紋擴(kuò)展速率是一個(gè)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(kuò)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(yùn)用Paris 公式或梯形公式，對(duì)構(gòu)件的壽命進(jìn)行反推［1，6－7］。

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

本試驗(yàn)是以60.973 kN 為最大載荷構(gòu)成的等幅譜進(jìn)行裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，應(yīng)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(jìn)行加載(即載荷平均分配在2 耳片上)，且預(yù)制缺口對(duì)稱線均與試驗(yàn)載荷方向垂直。結(jié)合耳片斷面上可見大量細(xì)密的疲勞條帶，且疲勞條帶形貌與等幅譜載荷存在對(duì)應(yīng)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(duì)擴(kuò)展區(qū)內(nèi)的疲勞條帶進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果見表1。利用表1 中數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，可以得到疲勞裂紋擴(kuò)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(jì)算疲勞擴(kuò)展壽命(公式1)，具體計(jì)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(kuò)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(kuò)展壽命，計(jì)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(cè)只能發(fā)現(xiàn)表面裂紋的特性，運(yùn)用同樣方法確定裂紋擴(kuò)展至孔壁另一側(cè)和穿透耳片厚度時(shí)的壽命。對(duì)耳片從源區(qū)沿孔內(nèi)壁和厚度2 個(gè)路徑的擴(kuò)展速率進(jìn)行測(cè)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(kuò)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(shí)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(jìn)行計(jì)算，則厚度方向裂紋長度為0.3mm時(shí)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(gè)耳片之間檢測(cè)位置不利于觀察有關(guān)(圖4)。式中:an為第n 點(diǎn)距離源區(qū)的裂紋長度，an－1為第n－1 點(diǎn)距離源區(qū)的裂紋長度，da/dN為裂紋擴(kuò)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(kuò)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(jìn)行維氏硬度測(cè)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(jìn)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(duì)應(yīng)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(diǎn)相，未見異常(圖5);對(duì)耳片采用化學(xué)試末法進(jìn)行化學(xué)成分測(cè)試，測(cè)試結(jié)果可知耳片化學(xué)成分符合2024－T351 鋁合金技術(shù)要求。

2 分析與討論

半個(gè)多世紀(jì)以來，飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想經(jīng)歷了不斷完善的發(fā)展過程，正朝著滿足高機(jī)動(dòng)性、高經(jīng)濟(jì)性、高可靠性、高出勤率、長壽命、低維修成本的綜合設(shè)計(jì)技術(shù)與分析方法方向發(fā)展，經(jīng)歷了靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)、氣動(dòng)彈性設(shè)計(jì)、疲勞安全壽命設(shè)計(jì)、安全壽命/破損－安全設(shè)計(jì)、耐久性/損傷容限設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)發(fā)展過程。耐久性定壽是根據(jù)斷裂力學(xué)概念不斷地確定修理周期(修理壽命)連續(xù)進(jìn)行定壽，使總壽命不低于設(shè)計(jì)使用壽命;損傷容限則是通過對(duì)裂紋從可檢裂紋到臨界裂紋的擴(kuò)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(qiáng)度要求，保證飛機(jī)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(jī)結(jié)構(gòu)用耐久性設(shè)計(jì)定壽，用損傷容限設(shè)計(jì)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(dòng)筒接頭損傷容限試驗(yàn)也是在預(yù)制裂紋前提下，獲得結(jié)構(gòu)件的裂紋擴(kuò)展相關(guān)數(shù)據(jù)，通過每5 000 循環(huán)采用滲透無損檢測(cè)進(jìn)行監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)。定量分析結(jié)果表明，作動(dòng)筒接頭耳片裂紋為典型的疲勞擴(kuò)展，擴(kuò)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(yīng)6 次滲透無損檢測(cè)，但均出現(xiàn)了漏檢。由于裂紋擴(kuò)展時(shí)一般呈弧形特征，中部擴(kuò)展較快，邊緣擴(kuò)展較慢，若以滲透可檢裂紋長度0.3 mm 進(jìn)行計(jì)算，那么厚度方向裂紋長度為0.3 mm 時(shí)的壽命值為12 877 循環(huán)周次，從12 877～40 000 循環(huán)周次應(yīng)6 次滲透無損檢測(cè)，也均出現(xiàn)了漏檢。

接下來對(duì)滲透檢測(cè)漏檢進(jìn)行相關(guān)分析，原因可能存在以下幾個(gè)方面:首先，構(gòu)件的裂紋擴(kuò)展呈弧形，中部較邊緣擴(kuò)展快，也就說首先產(chǎn)生的是內(nèi)部裂紋，運(yùn)用滲透檢測(cè)方法采集的數(shù)據(jù)會(huì)存在偏差;第二，滲透檢測(cè)是一種以毛細(xì)作用原理為基礎(chǔ)的檢測(cè)表面開口缺陷的無損檢測(cè)方法，裂紋越細(xì)小，毛細(xì)作用越明顯。滲透檢測(cè)受表面狀況影響較大，由于試驗(yàn)過程中銷棒對(duì)孔內(nèi)壁表面的擠壓損傷，而導(dǎo)致裂紋張口被覆蓋，也在一定程度上影響滲透檢測(cè)的效果;第三，本試驗(yàn)采用的離線滲透檢測(cè)，前起收放作動(dòng)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(dǎo)致滲透液未能濕潤影響了檢測(cè)效果;第四，裂紋沿著內(nèi)壁和厚度方向擴(kuò)展，孔1 缺口處于2 個(gè)耳片之間，當(dāng)裂紋沿孔厚度方向擴(kuò)展，可能會(huì)影響觀察視線，影響檢測(cè)效果。

根據(jù)以上分析情況，為了更準(zhǔn)確獲得前起收放作動(dòng)筒接頭損傷容限試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可采取如下改進(jìn)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(cè)方法，可很好的解決內(nèi)部裂紋的漏檢;

3)試驗(yàn)結(jié)束后增加斷口定量分析，以驗(yàn)證試驗(yàn)測(cè)試的準(zhǔn)確性。

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

3 結(jié)論

1)前起收放作動(dòng)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(cè)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(cè)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(dòng)筒損傷容限試驗(yàn)。

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