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背景

 

某端框接頭材料為7050鋁合金，該材料是一種鋁-鎂-鋅-銅高強(qiáng)度可熱處理合金，具有比強(qiáng)度高、韌性好等優(yōu)點(diǎn)，由于其良好的綜合力學(xué)性能，被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)的諸多重要部件，如飛機(jī)的隔框、托架等承載構(gòu)件等。

 

某機(jī)載雷達(dá)端框接頭由7050鋁合金板整體加工成型，用于雷達(dá)端框的對(duì)接整合，為主傳力件，如圖1所示，接頭上緣板處設(shè)有4個(gè)螺栓孔，用來(lái)安裝雷達(dá)的吊裝點(diǎn)。

圖1 端框接頭示意圖

 

該機(jī)載雷達(dá)在進(jìn)行地面聯(lián)試的吊裝轉(zhuǎn)移過(guò)程中，發(fā)生雷達(dá)端框接頭斷裂事故。端框?yàn)槔走_(dá)陣面的主承力件，端框接頭是位于兩端間的接頭部位，為主傳力件。斷裂發(fā)生后，經(jīng)外觀及無(wú)損檢測(cè)發(fā)現(xiàn)除端框接頭部位發(fā)生斷裂外，其余區(qū)域均未受損。雷達(dá)接頭上緣板為撕裂性破斷，斷口尺寸為190mm×80mm，如圖2所示。

圖2 斷裂端框接頭實(shí)物圖

 

為找出7050鋁合金端框接頭斷裂的原因，筆者通過(guò)理化檢驗(yàn)對(duì)端框接頭進(jìn)行了分析。

 

理化檢驗(yàn)

 

仿真分析

 

根據(jù)吊裝損傷工況與各結(jié)構(gòu)件相對(duì)位置關(guān)系，建立端框接頭受力有限元模型，將吊裝點(diǎn)約束，吊繩與端框接頭的夾角約為46°，可以計(jì)算出吊裝點(diǎn)吊繩上的載荷，通過(guò)提取模型中吊繩內(nèi)力T1＝9.183kN，假設(shè)吊點(diǎn)1的垂向載荷為F1，得F1＝6.532kN。

 

通過(guò)對(duì)端框接頭建模和強(qiáng)度復(fù)核，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在端框接頭吊裝點(diǎn)處，該位置與實(shí)際斷裂損傷位置一致，如圖3所示。

圖3 端框接頭吊裝受力仿真圖

 

端框接頭應(yīng)力最大值為566.1MPa，超過(guò)7050鋁合金材料的強(qiáng)度極限510MPa。

 

宏觀分析

 

為便于區(qū)分觀察，將端框接頭上緣板斷裂受損部位進(jìn)行分區(qū)，如圖4所示。

 

圖4 斷裂端框接頭分區(qū)示意圖

 

從受損部位內(nèi)側(cè)觀察，1區(qū)和4區(qū)轉(zhuǎn)接部位可見(jiàn)向下穿過(guò)螺栓孔的裂紋，3區(qū)可見(jiàn)多條垂直于斷口方向的裂紋。

 

對(duì)端框接頭上緣板斷裂脫落部位斷口進(jìn)行觀察，如圖5所示。

圖5 斷裂端框接頭上緣板宏觀形貌

 

斷口可見(jiàn)典型的放射棱線，可判斷上緣板斷裂源區(qū)位于1區(qū)兩個(gè)螺栓孔處，分別沿壁板兩側(cè)擴(kuò)展，兩孔之間匯聚至中部加強(qiáng)筋，之后裂紋沿加強(qiáng)筋擴(kuò)展至2區(qū)；由于內(nèi)側(cè)加強(qiáng)筋和外側(cè)接頭搭接的影響，2區(qū)隨后也橫向擴(kuò)展；3區(qū)和4區(qū)斷面粗糙，高差較大，分析為裂紋擴(kuò)展后期。

 

微觀分析

 

將端框接頭上緣板斷口1區(qū)清洗后置于掃描電鏡下進(jìn)行微觀觀察，如圖6所示。

 

圖6 斷口微觀形貌

 

上緣板斷裂源區(qū)位于螺栓孔處，源區(qū)未見(jiàn)冶金缺陷，裂紋沿壁板長(zhǎng)度方向擴(kuò)展，呈沿晶特征，螺栓孔內(nèi)擠壓痕跡較重。由此判斷上緣板為過(guò)載斷裂。

 

金相檢驗(yàn)

 

在上緣板斷口附近平行于1區(qū)斷口方向截取金相試樣，磨制拋光后進(jìn)行金相檢驗(yàn)，如圖7所示。

圖7 斷口顯微組織形貌

 

可見(jiàn)上緣板組織均勻，未見(jiàn)異常。

 

硬度測(cè)試

 

在上緣板斷口附近平行于1區(qū)斷口方向截取硬度試樣，磨制拋光后進(jìn)行硬度測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表1。

 

表1 上緣板硬度測(cè)試結(jié)果

HV200

 

由測(cè)試結(jié)果可知，上緣板硬度均勻，平均值為145HV200，換算成布氏硬度為137HBS。

 

拉伸性能試驗(yàn)

 

對(duì)同批次上緣板進(jìn)行拉伸性能試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。

 

表2 上緣板拉伸試驗(yàn)結(jié)果

 

由試驗(yàn)結(jié)果可知，上緣板拉伸性能符合企業(yè)技術(shù)要求。

 

化學(xué)成分分析

 

對(duì)同批次上緣板進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表3，余量為鋁。由分析結(jié)果可知，上緣板化學(xué)成分符合GB/T 3190－2015對(duì)7050鋁合金的技術(shù)要求。

 

表3 上緣板化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

%

 

分析與討論

 

斷裂端框的硬度、力學(xué)性能及化學(xué)成分均符合要求。通過(guò)端框接頭受力有限元分析可知，其應(yīng)力最大值超過(guò)了7050鋁合金材料的強(qiáng)度極限，最大值出現(xiàn)在端框接頭吊裝點(diǎn)處，該位置與實(shí)際斷裂損傷位置一致。

 

通過(guò)對(duì)端框接頭斷口宏觀、微觀形貌分析，可知斷口均為沿晶特征，斷裂性質(zhì)為過(guò)載斷裂。

 

通過(guò)上述理化檢驗(yàn)結(jié)果推測(cè)，端框接頭過(guò)載斷裂與異常操作有關(guān)，應(yīng)為吊裝作業(yè)不規(guī)范導(dǎo)致。

 

結(jié)論及建議

 

該7050鋁合金端框接頭斷裂屬于過(guò)載斷裂，由吊裝作業(yè)不規(guī)范導(dǎo)致吊裝點(diǎn)的應(yīng)力最大值超過(guò)材料的強(qiáng)度極限，最終在端框接頭吊裝點(diǎn)處發(fā)生過(guò)載斷裂。建議規(guī)范和細(xì)化吊裝操作流程，同時(shí)加強(qiáng)吊裝人員素質(zhì)，杜絕因人為原因?qū)е率鹿实脑俅伟l(fā)生。

選自：潘占，碩士，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第三十八研究所