盧維富，齊東棟，鄧承佯，李善勛，竇 軍

（1.中航工業(yè)洪都，江西 南昌330024；2.駐320廠軍事代表室，江西 南昌330034）

在對彎臂機械結(jié)構(gòu)進行維護過程中，發(fā)現(xiàn)板材邊緣的螺栓孔出現(xiàn)貫穿性傘狀裂紋，螺栓孔周邊出現(xiàn)了較多的磨損凹坑，且裂紋附近板材上有許多劃痕。如圖1所示，進一步檢查還發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)裂紋的板材并沒有進行相應(yīng)的漆層防護?？紤]到該部位處于彎臂部位，板材厚度較?。?.8mm），其承受的載荷多為長時間的交變載荷，裂紋的出現(xiàn)將會對該機械結(jié)構(gòu)的安全性和使用壽命造成影響，因此，有必要對該裂紋的性質(zhì)和產(chǎn)生原因進行深入分析。

1 試驗過程與結(jié)果

1.1 零件材質(zhì)分析

圖1 腐蝕實例

對該板材進行成分分析后發(fā)現(xiàn)，該零件主要成分為4.0%Cu、1.5%Mg、0.61%Mn等，符合LY12系列鋁合金相關(guān)鑄造標準[1]，同時，試樣在螺栓孔裂紋區(qū)（中耳、左耳及背部）進行維氏硬度檢測，其硬度值分別為126.4 HV0.1、127.3 HV0.1和125.7 HV0.1，同樣也符合相關(guān)的設(shè)計標準[2]。因此，該裂紋的產(chǎn)生并非是材料的質(zhì)量問題。

1.2 斷口宏觀觀察

將出現(xiàn)裂紋的螺栓孔經(jīng)過超聲洗滌干燥后放入Vega Tescan掃描電鏡下進行觀察可知，斷口處并沒有發(fā)現(xiàn)明顯的塑性變形，而螺栓孔邊緣出現(xiàn)了明顯的劃痕和壓痕，進一步觀察則可發(fā)現(xiàn)螺栓孔孔內(nèi)出現(xiàn)了磨損凹坑形貌。如圖2所示。

圖2 斷口宏觀形貌

1.3 斷口顯微觀察

沿裂紋將螺栓孔打開，斷口經(jīng)超聲洗滌后再進行觀察可知，斷口磨損處為裂紋源區(qū)，其形貌呈現(xiàn)典型的貝殼狀形貌（圖3a），說明初始裂紋經(jīng)過了較長時間的形成過程；其次對裂紋擴展區(qū)進行觀察可以發(fā)現(xiàn)，有明顯的放射線存在，說明裂紋的擴展為瞬斷過程；對擴展區(qū)放大倍數(shù)再次進行觀察可以發(fā)現(xiàn)，裂紋源區(qū)附近出現(xiàn)了明顯的疲勞條帶狀形貌等疲勞裂紋特征（圖3b、3c)。同時在板材完好處打斷可發(fā)現(xiàn)，人工打斷斷口出現(xiàn)了明顯的韌窩結(jié)構(gòu)(圖3d）。兩斷口均未發(fā)現(xiàn)有明顯的冶金缺陷和熱加工缺陷。

圖3 斷口微觀形貌

進一步觀察可以發(fā)現(xiàn)斷口被腐蝕產(chǎn)物所覆蓋，對腐蝕產(chǎn)物進行能譜分析的結(jié)果顯示，裂紋源區(qū)出現(xiàn)了O和Cl的信號，而裂紋擴展區(qū)僅發(fā)現(xiàn)O元素信號，且其強度隨著放射線的延伸方向不斷減弱并明顯弱于源區(qū)信號強度。

1.4 斷口金相觀察

在螺栓孔裂紋附近取金相試樣，金相組織如圖4所示，組織晶界分明，晶界處沒有發(fā)現(xiàn)任何夾雜物和雜質(zhì)，同時也沒有發(fā)現(xiàn)任何結(jié)構(gòu)缺陷和過燒等熱處理缺陷。

圖4 金相觀察

2 綜合分析

2.1 受力分析

對于該彎臂螺栓孔的設(shè)計中，每個螺栓孔受到結(jié)構(gòu)傳遞的固定載荷為302.3N，而0.8mm厚的LY12板材對應(yīng)3mm螺栓的破壞擠壓力為1411N，因而其連接強度剩余系數(shù)為

該螺栓孔的設(shè)計擠壓強度足夠，靜力載荷不會導致螺栓孔的裂紋。

然而在彎臂使用過程中，還會包括過載產(chǎn)生的慣性力的作用，這種外界載荷通常以螺栓受拉的交變形式傳遞，從而造成板材變形，使螺栓孔和板材之間發(fā)生摩擦，導致磨損凹坑的出現(xiàn)。通常過載載荷系數(shù)為nx=1.72,ny=2.65(X方向定義為垂直板材，y方向定義為平行于板材)

假定配重載荷由裂紋處4個螺栓承受，則每個螺栓載荷為：

螺栓的破壞擠壓力為1411N，則連接強度剩余系數(shù)：

螺栓受拉受剪，拉應(yīng)力：

剪應(yīng)力：

按照第三強度理論，螺栓破壞強度剩余系數(shù)：

由此說明，在過載情況下，連接螺栓孔擠壓強度依然不足以直接引發(fā)裂紋。

通過以上計算可以看出，螺栓和板材受力不大，強度剩余系數(shù)高，但是板材在承受垂直框板平面的力作用情況下，該力不能直接通過其他結(jié)構(gòu)傳遞出去，框板在此時相當于懸臂梁結(jié)構(gòu)，會對板材產(chǎn)生局部彎曲，引起板材應(yīng)力偏高。而工程計算方法很難精確計算板材在受局部彎曲情況下的真實應(yīng)力情況。所以考慮選用通用有限元分析軟件Nastran作進一步分析。 板材受到的載荷主要是配重慣性載荷，在有限元模型中，選用慣性載荷（inertial load）加載，載荷系數(shù)（load/BC set scale Factor）取9.8，慣性加速度（Trans Accel）取A1=1.72，A2=2.65，A3= 0，慣性載荷和靜力載荷施加到模型中所有單元上。

由有限元應(yīng)力分析結(jié)果可知，應(yīng)力集中在螺栓孔位置處即板材裂紋部位處，過載情況下最大應(yīng)力為31.1MPa（圖5a），靜力條件下最大應(yīng)力為21.1MPa（圖5b）。為了進一步分析螺栓孔邊應(yīng)力分布情況，從有限元應(yīng)力分析結(jié)果中取出螺栓載荷，建立帶螺栓孔的框緣有限元模型，并進行細節(jié)應(yīng)力分析，過載情況下最大應(yīng)力為101MPa（圖5c），螺栓孔靜力情況下最大應(yīng)力為21.3MPa（圖5d），其靜力情況下，板材變形示意如圖5e所示，變形量最大部位是螺栓孔部位，而過載條件下，其變形量示意如圖5f所示，同樣變形量最大的部位依然為螺栓孔位置。但上述情況的應(yīng)力值均小于其疲勞極限強度（137MPa）。

圖5 應(yīng)力有限元分析載荷譜

2.2 失效原因分析

通過上述分析可知，鋁合金的成分、金相和硬度均符合相關(guān)的設(shè)計標準，因此裂紋產(chǎn)生的原因是由于材料的質(zhì)量問題引起。而通過對鋁合金全壽命周期的載荷進行強度計算可知，靜力情況下和過載情況下，螺栓的擠壓強度均滿足設(shè)計要求，根據(jù)有限元分析結(jié)果顯示，應(yīng)力大多集中在螺栓孔位置，但兩種工況下板材的最大應(yīng)力值均小于疲勞極限強度[1]。對螺栓孔斷口形貌進行分析后可以發(fā)現(xiàn)，人工打斷斷口的韌窩結(jié)構(gòu)顯示裂紋出現(xiàn)了脆性斷裂，而裂紋源區(qū)均呈現(xiàn)明顯的貝殼狀形貌，擴展區(qū)呈現(xiàn)疲勞條帶狀形貌，能譜分析顯示其腐蝕產(chǎn)物中含有氯化物和氧化物，說明LY12螺栓孔裂紋性質(zhì)為疲勞腐蝕裂紋。

同時，外界過載載荷和靜力載荷交替出現(xiàn)構(gòu)成交變脈沖應(yīng)力，會造成沒有防護層保護的螺栓孔與板材不斷發(fā)生摩擦，為螺栓孔表面磨損凹坑的形成創(chuàng)造了良好的條件，而彎臂機械結(jié)構(gòu)又暴露在外界空氣當中，夾雜空氣灰塵的雨水極易殘留在螺栓孔間隙之中，使凹坑中暴露出來的鋁合金不斷與雨水腐蝕液發(fā)生電化學反應(yīng)，形成早期疲勞腐蝕裂紋。而Cl元素的存在會使電化學反應(yīng)不斷生成活性[H][2]，經(jīng)過長時間的富集，便會誘發(fā)裂紋尖端不斷擴展，從而促使裂紋及早突破極限進入瞬斷區(qū)。另一方面，交變脈沖應(yīng)力的不斷作用，進入瞬斷區(qū)的初始裂紋便會不斷擴展形成擴展區(qū)的放射線形貌[3]，最后造成LY12螺栓孔的疲勞腐蝕裂紋。

因此，對于該螺栓孔，由于基板板材較薄，應(yīng)該考慮在彎臂處增加加強板材進行增厚，以降低螺栓孔承受載荷，同時避免加工刀具的直接沖擊以免造成劃痕等人工加工痕跡。同時考慮到螺栓與板材之間的脈沖交變載荷，應(yīng)該增加墊圈，或者橡膠墊進行緩沖，從而降低螺栓孔的傳遞載荷。此外，對螺栓孔還應(yīng)進行必要的漆層防護，以達到物理隔離殘留附著腐蝕液與金屬材質(zhì)，避免直接接觸造成的電化學腐蝕反應(yīng)。

3 結(jié) 論

1）LY12螺栓孔的裂紋性質(zhì)均為疲勞腐蝕裂紋；

2）彎臂結(jié)構(gòu)處可以考慮增加加強板材進行增厚、螺栓孔增加墊圈或橡膠墊和漆層防護，以避免螺栓孔再次發(fā)生類似的疲勞腐蝕裂紋；

3）定期檢查螺栓孔防護狀況，對于出現(xiàn)裂紋的板材應(yīng)該及時進行更換或者增加止裂孔，以避免機械結(jié)構(gòu)功能失效。

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