2B06铝合金支架断裂失效分析.pdf

新技术新工艺 2 0 2 3年 第1 0期 7 6 新技术新工艺 质量与检测2 B 0 6铝合金支架断裂失效分析李松如1,2,张 平1,陈 康1(1.国营芜湖机械厂,安徽 芜湖 2 4 1 0 0 0;2.南京航空航天大学 机电学院,江苏 南京 2 1 0 0 0 0)摘 要:飞机地面检查时发现,固定液压电磁阀2 B 0 6铝合金支架发生断裂故障。针对该失效故障,对支架进行宏观检查、微观检查、金相组织检查、化学成分分析等理化分析,对支架实际安装状态进行检查,并进行有限元分析,对支架断裂裂纹性质和产生原因进行分析讨论。结果表明,支架断裂裂纹性质为疲劳裂纹,是支架装配异常翘起导致装配应力和正常工作载荷综合作用导致;为预防此类故障,修理时应保证支架固定液压电磁阀时贴合安装框梁,必要时可更换新支架,从而降低装配应力。关键词:2 B 0 6铝合金;支架;疲劳;断裂;装配应力中图分类号:T G 1 1 5.2 文献标志码:AF r a c t u r e F a i l u r e A n a l y s i s o f 2 B 0 6 A l u m i n u m A l l o y B r a c k e t sL I S o n g r u1,2,Z HANG P i n g1,CHE N K a n g1(1.S t a t e-o w n e d W u h u M a c h i n e r y F a c t o r y,Wu h u 2 4 1 0 0 0,C h i n a;2.C o l l e g e o f M e c h a n i c a l&E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g,N a n j i n g U n i v e r s i t y o f A e r o n a u t i c s a n d A s t r o n a u t i c s,N a n j i n g 2 1 0 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:D u r i n g t h e g r o u n d i n s p e c t i o n o f t h e a i r c r a f t,i t w a s f o u n d t h a t t h e f i x e d h y d r a u l i c s o l e n o i d v a l v e 2 B 0 6 a l u m i-n u m a l l o y b r a c k e t h a d b r o k e n.I n r e s p o n s e t o t h i s f a i l u r e f a u l t,i t w a s c o n d u c t e d t h a t p h y s i c a l a n d c h e m i c a l a n a l y s i s s u c h a s m a c r o s c o p i c i n s p e c t i o n,m i c r o s c o p i c i n s p e c t i o n,m e t a l l o g r a p h i c s t r u c t u r e i n s p e c t i o n,a n d c h e m i c a l c o m p o s i t i o n a n a l y s i s o n t h e b r a c k e t.T h e a c t u a l i n s t a l l a t i o n s t a t u s o f t h e b r a c k e t w a s c h e c k e d,a n d t h e f i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s w a s c o n d u c t e d t o a n a-l y z e a n d d i s c u s s t h e n a t u r e a n d c a u s e s o f t h e b r a c k e t f r a c t u r e c r a c k s.T h e r e s u l t s i n d i c a t e d t h a t t h e n a t u r e o f t h e b r a c k e t f r a c t u r e c r a c k w a s f a t i g u e c r a c k,w h i c h w a s c a u s e d b y t h e c o m b i n a t i o n o f a s s e m b l y s t r e s s a n d n o r m a l w o r k i n g l o a d c a u s e d b y a b n o r m a l l i f t i n g o f t h e b r a c k e t a s s e m b l y.T o p r e v e n t s u c h m a l f u n c t i o n s,d u r i n g r e p a i r s,i t w a s n e c e s s a r y t o e n s u r e t h a t t h e b r a c k e t w a s a t t a c h e d t o t h e i n s t a l l a t i o n f r a m e b e a m w h e n f i x i n g t h e h y d r a u l i c s o l e n o i d v a l v e.I f i t w a s n e c e s s a r y,t h e o l d b r a c k e t w a s r e p l a c e d w i t h n e w b r a c k e t t o r e d u c e a s s e m b l y s t r e s s.K e y w o r d s:2 B 0 6 a l u m i n u m a l l o y,b r a c k e t s,f a t i g u e,f r a c t u r e,a s s e m b l y s t r e s s 2 B 0 6(A l-Z n-C u-M g)铝合金是一种高强铝合金,具有密度低、强度高和耐腐蚀性强等优点,广泛用于制造飞机蒙皮、框、支架等零部件1-2。裂纹、断裂、腐蚀是2 B 0 6铝合金零部件常见的失效形式,目前对于2 B 0 6铝合金零部件失效研究主要集中在寿命模拟、腐蚀规律等方面3-5,针对实际工况下支架类连接零件的裂纹、断裂失效分析及改进研究较少。本文通过宏观检查、微观检查、金相组织检查、化学成分分析等理化分析及有限元分析等手段,对固定液压电磁阀支架的断裂裂纹性质和产生原因进行分析讨论,以确定支架的失效原因及修理中的预防措施。1 失效零件概况飞机地面检查时发现,固定液压电磁阀的支架发生断裂故障。支架通过铆钉安装在飞机框梁上,通过螺栓、螺母固定液压电磁阀(见图1)。左侧失效支架断裂位置靠近液压电磁阀安装螺栓孔,同时也是支架与框梁接触部位。支架材料为2 B 0 6铝合金,表面硫酸阳极化处理后涂2层T B 0 6-9底漆。图1 支架安装示意图2 试验过程与结果2.1 宏观检查经目视检查断裂支架无明显变形,支架断裂位置靠近螺栓孔边缘,裂纹走向呈一定弧度,将支架断裂分为A、B两部分,支架上表面螺孔附近存在明显弧形磨损的损伤形貌,支架下表面可见螺栓的轻微压痕(见图2)。观察A、B部分断面形貌可以看出:A部分断面左右两侧较平整,靠近上下表面的断面均磨损发黑;B部分断面中间发黑区域为磨损区域,质量检测 新技术新工艺 质量与检测7 7 靠近下表面断面区域未被磨损变黑(见图3)。a)支架上表面b)支架下表面图2 断裂支架外观形貌图3 支架断面形貌2.2 体视检查使用S 9 i型体视显微镜对支架A部分、B部分断面进行观察:A部分断面左侧、右侧可见疲劳弧线特征及扩展棱线痕迹,源区指向靠近螺孔的下表面磨损区域(见图4);B部分断面可见疲劳弧线特征及扩展棱线痕迹,源区同样指向靠近螺孔的下表面区域(见图5)。由此初步判断,支架裂纹源区靠近螺孔的下表面区域,裂纹由源区向支架上表面扩展。a)A部分断面左侧b)A部分断面右侧图4 A部分断面体视镜检查图5 B部分断面体视镜检查2.3 微观检查进一步使用S i g m a 3 0 0型场发射扫描电子显微镜对支架B部分断面进行观察:断面左侧可见明显疲劳弧线特征(见图6 a);断面扩展区形貌可见解理特征,高倍下可见疲劳条带特征(见图6 b和图6 c);根据棱线收敛情况及疲劳弧线收敛方向可确定源区位于下表 面,长 度 约 为2 0 0 m,线 源 特 征(见 图6 d)。场发射扫描电子显微镜的观察结果再次印证了支架裂纹由下表面源区向上表面扩展的结论。疲劳弧线和疲劳条带是疲劳裂纹扩展阶段断面上重要的显微特征6-7,由此可知,支架的断裂裂纹性质为疲劳裂纹。a)B部分左侧疲劳弧线特征b)B部分左侧疲劳条带特征 新技术新工艺 2 0 2 3年 第1 0期 7 8 新技术新工艺 质量与检测c)B部分右侧疲劳条带特征d)裂纹源区图6 B断面微观观察能谱分析可对被测物的元素含量进行定量分析8,使用X F l a s h 6-3 0型能谱仪对支架A、B部分裂纹源区及磨损区上附着物进行能谱成分分析:除基体元素外,支架裂纹源区及磨损区均含有O元素,磨损区O元素含量高,氧化严重,未见其他异质元素。由此确定支架A、B部分磨损区产生过程中,没有其他材质零件参与,支架断面磨损痕迹是在载荷、振动作用下支架A、B部分互相接触导致。2.4 金相组织检查根据G B/T 3 2 4 6.12 0 1 2 变形铝及铝合金制品组织检验方法 第1部分:显微组织检验方法 要求,在支架裂纹源区附近沿垂直断面方向切割制备金相试样,经腐蚀后采用PMG 3-6 1 3 U金相显微镜观察组织特征:裂纹源区未见明显冶金缺陷(见图7 a),基体组织均匀,未见过烧特征(见图7 b),排除支架因冶金缺陷导致支架疲劳性能降低的可能性。a)裂纹源区金相组织b)基体金相组织图7 金相组织检查结果2.5 化学成分分析根据G B/T 7 9 9 92 0 1 5 铝及铝合金光电直读发射光谱分析方法 要求,使用S P E C T R O MA X X全谱直读光谱仪对故障支架进行化学成分分析,结果见表1。结果表明,该支架化学成分符合2 B 0 6铝合金技术规范要求9,排除支架因化学成分不符导致疲劳开裂的可能性。表1 支架化学成分分析结果元素化学成分(质量分数)/%测定值标准值S i0.10.2F e0.1 60.3C u43.84.3M n0.60.40.9M g2.11.72.3B e0.0 0 10.0 0 0 20.0 0 5Z n0.0 50.1T i0.0 20.1A l余量余量2.6 有限元分析由支架安装示意图(见图1)可知,支架液压电磁阀安装面为典型含孔板结构,受到液压电磁阀传递的循环载荷,支架螺栓孔边应力值最大,且随着逐渐远离孔边,应力峰值也逐渐降低1 0,但该故障支架断裂裂纹未通过螺栓孔,为靠近螺栓孔,分析液压电磁阀机上安装时支架异常受力。检查其他飞机同位置支架安装状态,发现受限于空间狭小、安装结构复杂等因素,存在支架与安装框梁分离上翘情况,此异常状态时支架受向上的装配应力(见图8)。通过A B AQU S对支架不同安装状态进行对比分析(见图9):有 限 元 模 型 选 用C 3 D 8 R单 元,共 划 分 为9 6 3 3 5个单元和1 2 1 6 5 8个节点;支架铆钉安装面边界条件选择固定;a组模型模拟支架正常安装状态,加载载荷为横向循环载荷;b组模型模拟支架承受装配应力状态,加载载荷为横向循环载荷和集中力载荷。有限元分析应力分布结果如图1 0所示,由此可知:当液压电磁阀机上安装异常支架受到装配 质量检测 新技术新工艺 质量与检测7 9 应力时,支架最大应力值增加,最大应力值位置由螺栓孔改为靠近螺栓孔边约2 mm位置,与失效支架裂纹源区位置基本一致。因此,确认支架疲劳断裂失效与支架承受的装配应力相关。图8 支架安装异常状态图9 支架有限元分析边界条件及载荷a)a组模型支架应力分布b)b组模型支架应力分布图1 0 支架应力分布对比2.7 分析与讨论根据支架宏观、微观检查等理化分析及应力分析可知:1)支架断裂裂纹靠近螺栓孔,呈一定弧度,将支架分为A、B两部分,支架断面存在明显磨损痕迹;2)支架A、B部分断面可见明显疲劳弧线特征,高倍下可见疲劳条带特征,断裂裂纹性质为疲劳裂纹;3)支架裂纹源区位于支架下表面,长度约为2 0 0 m,线源特征;4)支架A、B部分磨损区氧化严重,未见其他异质元素,判定磨损痕迹是支架A、B部分互相接触导致;5)支架源区和基体金相检查未见明显冶金缺陷,支架化学成分符合2 B 0 6铝合金技术规范要求,排除支架因冶金缺陷和化学成分不符等导致疲劳开裂的可能性;6)实物检查发现,支架安装异常时受到向上装配应力,有限元分析表明,此状态下支架最大应力值增加,最大应力值位置与失效支架裂纹源区位置基本一致,确认支架失效与装配应力相关。综上所述,支架断裂是由于支架疲劳裂纹导致,裂纹源于支架下表面,向上表面扩展,直至支架断裂。在本故障中,支架断裂过程如下:液压电磁阀机安装异常导致支架受到装配应力,同时在正常工作载荷综合作用下,飞机支架下表面螺栓孔附近应力值最大区域出现疲劳源,产生裂纹,疲劳裂纹随时间向上表面扩展导致支架断裂分为A、B两部分,断裂的支架在载荷、振动作用下两部分互相接触导致磨损。为预防此类故障再次发生,在液压电磁阀安装时应防止支架翘起等异常状态,保证液压电磁阀安装后支架必须贴合安装框梁,必要时可更换新支架保证安装贴合,从而降低支架装配应力,减小支架承受的最大应力值,在实际应用中有效延长了支架疲劳寿命。3 结语通过上述研究可以得出如下结论。1)支架断裂裂纹性质为疲劳裂纹,断裂是支架异常翘起导致装配应力和正常工作载荷综合作用导致。2)建议支架固定液压电磁阀时必须贴合安装框梁,必要时可换新支架,从而降低支架装配应力,减小支架承受的最大应力值,可有效延长支架疲劳寿命。参考文献1 熊爱奎.2 B 0 6铝合金板料充液拉伸的研究C/“装备中国”2 0 1 6年“滨海杯”高端装备工业设计大赛论文集.天津 新技术新工艺 2 0 2 3年 第1 0期 8 0 新技术新工艺 质量与检测市科学技术协会,机械设计 杂志社,2 0 1 6.2 李昊,陈帅峰,马彦,等.2 B 0 6铝合金薄壁圆盘零件冲击液压成形研究J.兵器装备工程学报,2 0 2 2,4 3(7):1-7.3 王辉,万铖.2 B 0 6铝合金腐蚀动力学规律试验研究J.科技信息,2 0 1 4(5):6 5-6 7,1 0 3.4 谭晓明,张丹峰,陈跃良.基于微观结构的2 B 0 6铝合金全寿命概率模拟J.航空学报,2 0 1 2,3 3(8):1 4 3 4-1 4 3 9.5 张丹峰,戚佳睿,李艳丽,等.2 B 0 6及7 B 0 4腐蚀损伤规律研究J.环境技术,2 0 1 5,3 3(4):2 3-2 4,2 9.6 张栋,钟培道,陶春虎,等.失效分析M.北京:国防工业出版社,2 0 0 8.7 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