飞机摇臂接头疲劳试验失效分析

  • 飞机摇臂接头疲劳试验失效分析案例

    嘉峪检测网        2017-07-17 17:24

    摇臂接头是飞机上的关键受力部件,有着受力严酷、工作环境恶劣、故障率高的特点,需对摇臂接头进行一系列严格的测试和试验,其中,疲劳试验是验证其安全使用寿命的一项重要试验。

    某型机摇臂接头疲劳试验过程中,完成了2400h的着陆载荷谱和地面载荷谱试验加载后,摇臂(见图1)与机身连接的耳片出现裂纹,远未达到摇臂接头的使用寿命要求。

    飞机摇臂接头疲劳试验失效分析

     

    在摇臂接头疲劳试验提前失效发生后,对疲劳破坏部位(见图2)进行了初步检查,破坏现象如下:

    (1)摇臂与机身连接的耳片内侧第二个耳片出现穿透性裂纹。

    (2)内孔铬层表面质量良好,未磨损至机体。

    (3)耳片外端有一6mm×1.5mm×0.5mm(长×宽×深)凹坑,凹坑与裂缝重合,凹坑表面漆层良好。

    飞机摇臂接头疲劳试验失效分析

    表面凹坑明显是一个加工缺陷,但是否是疲劳失效的原因,还需要从结构设计、试验加载、断口分析、生产制造等各个环节进行分析。

     

    1.结构设计分析

    (1)耳片尺寸及设计要求  摇臂通过两组双耳与机身连接,耳片内径φ32mm,外径φ58mm,单个耳片厚度7mm,如图3所示。零件设计要求位:材料300M,σb=(1960 ±100)MPa,锻件按Ⅱ类检验(Z101);零件表面要求100%喷丸,喷丸强度0.15A~0.30A;φ32mm内孔要求镀铬表面粗糙度0.8μm;耳片其他表面要求镀镉钛,粗糙度1.6μm。

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    (2)疲劳分析 300M钢(40CrNiSi2MoVA钢)材料疲劳性能见表3。按设计图纸要求:φ32mm内孔喷丸后镀铬,其余部位喷丸镉钛,因此将φ32mm内孔定义为光滑式样喷丸强化及镀铬处理类,其余部位为光滑式样喷丸强化类,耳片材料平均疲劳性能为865MPa。考虑表面处理系数0.8,擦蚀系数取3,采用如图4的S-N曲线,根据表1和表2使用的着陆、地面工况载荷谱,耳片安全寿命大于100000h,结构设计具有足够的疲劳强度。

    表1 着陆工况

    序号

    载荷工况

    加载次数

    1

    水平着陆

    922

    2

    抬头着陆

    259

    3

    滑跑着陆

    384

    4

    斜坡着陆

    384

    表2 地面工况

    序号

    载荷工况

    加载次数

    1

    转弯

    2880

    2

    滑行

    2880

    3

    刹车

    2880

    通过已完成的试验次数进行反算,得到耳片的应力疲劳极限约300MPa,与表3中光滑试样镀铬处理的疲劳极限相当,因此,初步怀疑破坏耳片未进行喷丸强化。

     

    此外,耳片外表面凹坑的加工缺陷也会导致表面应力集中,但外表面的应力大大低于耳孔内表面,也可能是裂纹原因。

     

    表3  40CrNiSi2MoVA钢材料疲劳性能表

    热处理状态

    表面状态

    σRN=107/MPa

    870℃油淬+300℃回火2次,空冷

    光滑试样喷丸强化

    1025

    光滑试样电解抛光

    785

    光滑试样脱碳处理及喷丸强化

    885

    光滑试样脱碳处理

    730

    光滑试样喷丸强化及镀铬处理

    865

    光滑试样镀铬处理

    265

    表面粗车(Ra3.2μm)及喷丸强化

    960

    表面粗车(Ra3.2μm

    690

     

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    2.试验加载分析

    结构强度试验的三要素:载荷、边界约束和测量系统,如果其中一个因素与设计状态背离,就有可能导致试验无效。试验单位对试验各环节进行了检查,结果如下:

    (1)试验件验收、试验设备计量、开试评审均按照质量程序完成,试验质量受控。

    (2)试验安装交点与装机状态一致,试验加载程序及载荷与试验任务书一致。

    (3)使用过程侧向加载时,用于模拟机身与摇臂连接接头的夹具根部有变形,导致加载点产生偏移,大偏移量45mm。

     

    针对实际夹具根部变形导致加载点偏移情况,分别建立变形后的加载模型和不变形加载模型进行耳片应力分析,分析结果如下:

    (1)着陆载荷工况,大名义应力由381.8MPa下降到372.2MPa,降低2.5%。

    (2)地面载荷工况,大名义应力由246.3MPa下降到237.2MPa,降低3.7%。

    夹具变形,并未造成摇臂耳片应力增加,因此不会导致摇臂耳片提前破坏。

     

    3.试验件断口分析

     

    (1)宏观/微观检测

    耳片断口的整体形貌特征见图5、图6,从宏观下观察,裂纹从耳片内表面呈线性起源,在扩展过程中留下清晰的疲劳弧线。最后断裂的形貌呈剪切唇状, 耳片外表面的凹坑位于瞬断区,不是裂纹起源的原因。

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    耳片安装孔区域形貌磨损严重,形貌被破坏,微观形貌无法观察,磨损分界部位的微观结构呈沿晶和解理断裂形貌,如图7、图8所示。

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    在扩展区能观察到细微的疲劳条带,瞬断区形貌为典型的韧窝形貌,如图9、图10所示。

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    在磨损区域和非磨损区的分界处发现微观断口的形貌为沿晶+解理形貌,扩展区的宏观形貌有疲劳弧线特征,放大后的形貌有疲劳条带,表明断口断裂性质为疲劳断裂。

     

    (2)能谱分析

    用线切割切取试样后观察,从耳片的内表面进行观察,发现裂纹附近有试验过程中留下的微动磨损痕迹,同时有黑色的附着物,见图11。

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    为确定黑色附着物成份,对断口的磨损区域和沿晶断裂区域进行能谱分析,图12为磨损区域的分析结果,图13为沿晶形貌区域能谱分析的结果。

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    对源区和磨损分界沿晶形貌区进行能谱分析,源区黑色磨损部位的Cr元素含量较高,而在沿晶区的Cr元素含量在正常范围,表明该Cr元素的来源是裂纹产生后在试验过程中因微动磨损而将镀层上的Cr带入。

     

    (3)金相和硬度检测

    在耳片平行于断口的部位截取试样进行制样,进行显微组织检测,发现组织为回火马氏体,如图14所示,微观组织正常。

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    对耳片硬度进行检测,数据如表4所示。

     

    4  洛氏硬度测试结果(HRC

    测试点

    1

    2

    3

    4

    5

    6

    7

    平均值

    测试值

    45.3

    45.1

    45.2

    48.2

    47.4

    45.9

    47.8

    46.4

     

    洛氏硬度检测结果的平均值为46.4HRC,在技术要求范围内,表明耳片材质正常。

     

    对耳片内表面进行镀层检查,发现中心镀层有一较薄部位,最薄部位镀层厚度为0.0098mm,其余均匀部位镀层厚度为0.0245mm,如图15所示。从镀层形状观察,镀层与基体结合部位平直,基体部位无凹凸不平的喷丸强化痕迹。

     

    4.制造工艺检查

    对摇臂加工工艺、热表工艺进行检查,发现机加工艺输出没有按照设计图纸的要求执行,将喷丸、镀铬顺序颠倒。镀铬面无法进行喷丸处理,故没有对镀铬耳片孔φ32H8进行喷丸处理。

     

    5.试验验证

    根据检查结果,制造了新的试验件,对耳片两侧和内孔进行了喷丸处理,并实施了1件新的疲劳试验,完成了全部着陆和地面试验载荷谱,并额外进行了11万次的着陆工况,试验件仍未破坏,根据应力分析,耳片处的应力疲劳极限达到500MPa,与第1件疲劳极限300MPa相比,疲劳极限至少提高了67%以上。

     

    6.结语

    (1)根据试验件断口分析,裂纹源起始于耳片孔内表面,外表面的凹坑加工缺陷不是导致耳片断裂的主要因素,但裂纹正好通过凹坑,可见其一定程度上加剧了裂纹的产生,因此在制造中应严格控制,避免此类表面加工缺陷。

    (2)对300M这种高强度钢,镀铬处理会导致其疲劳强度急剧下降,必须特别强调镀铬前的喷丸强化。在工艺实施中,局部连接区域由于空间小,喷丸处理有难度,但这些连接部位却往往是结构的疲劳关键区,因此在设计和制造时均应充分考虑到喷丸强化。