飞机机翼角盒失效案例分析

飞机机翼角盒失效案例分析

郭治文 1 施晓春 2 李贤德 1

1中航通飞华南飞机工业有限公司 珠海 519000； 2航空工业通飞浙江研究院 德清 313200

摘要：飞机机翼角盒作为飞机机翼装配的重要结构部件，服役过程中往往承受着复杂多变载荷的影响，某型号飞机在飞行后的例行检查中发现一个材料为2A12-T351-t30的机翼角盒发生断裂现象。本文通过断口宏观检查、断口微观检查、微观组织分析、硬度试验、拉伸试验和化学成分分析等方法对角盒使用过程中发生断裂的原因进行分析。结果表明，角盒材质中存在较多的脆性第二相，但强度仍满足设计要求，角盒在较大的应力作用下发生瞬时的韧性断裂。

关键词：机翼角盒；断裂；裂纹；脆性第二相；韧性断裂

1 引言

某型号飞机的机翼角盒材质为2A12-T351-t30，在一次飞行后的例行检查发现该角盒发生断裂，为找出断裂的原因，本文通过断口检查、微观组织分析、硬度试验、拉伸试验和化学成分分析等方面进行了分析研究，得出机翼角盒断裂的原因。

2 试验方法

2.1 断口宏观分析

角盒断口的宏观形貌显示，断裂位置为角盒底面与侧面的棱以及侧面的中部，底面有四个通孔，侧面有两个通孔，裂纹经过侧面的一个通孔，该通孔表面的漆已脱落，附近的铝板也发生变形，表明该位置曾受较大的力，应为起裂位置。断口较为平整，呈黑色，表明断口存在污染，不同位置的断口宏观相貌均相似。

2.2 断口微观分析

角盒断口的断面上Zn、C、O含量较高，表明断口受到污染；断口上存在较多的白色粗大颗粒，白色粗大颗粒的主要成分为C、O、Ca，应为断后附着的；断口形貌等轴韧窝，表明断裂模式为拉应力导致的过应力韧性断裂；韧窝底部存在细小的颗粒，其主要成分为Cu、Al，应该为θ相（Al2Cu）；也存在较大块状相，其主要成分为Al、Cu、Mn、Fe、Si，根据成分，细小的颗粒与块状相均为为铝合金中的脆性第二相。

由此可知角盒的断裂为过应力韧性断裂，断口上存在较多的脆性第二相。

作 者简介：郭治文（1982-），男，广东清远人，硕士研究生，工程师，主要研究方向：航空制造业非金属材料理化复验、飞机零部件失效分析、飞机零部件无损检测及分析。

2.3微观组织分析

角盒的微观组织可见，固溶处理后已完全再结晶，晶粒呈扁平状，α固溶体上分布着较多的第二相，第二相有未溶的S（Al2CuMg）相以及较大的块状AlCuFeMnSi杂质相，晶粒沿轧制方向拉长，圆形的细小S相与块状的杂质相均沿轧制方向带状分布。

2.4 化学成分分析

使用电感耦合等离子原子发射光谱仪（ICP-OES）对角盒进行化学成分检测，根据《GB/T 3190-2008 变形铝及铝合金化学成分》中2A12化学成分技术要求，检测结果表明角盒的化学成分满足技术要求。

2.5 硬度试验

对角盒的切片进行维氏硬度试验，三次试验结果分别为142/141/144，平均值为142HV。

2.6力学性能

从角盒上制取拉伸试样，进行拉伸试验，垂直于轧制方向的力学性能结果为：抗拉强度461MPa（技术要求≥420MPa）、断后延伸率12.0%，可知垂直于轧制方向的力学性能仍满足设计要求。

3 综合分析

通过化学成分检测，角盒的成分满足《GB/T 3190-2008 变形铝及铝合金化学成分》中2A12化学成分技术要求。微观组织分析表明，组织硬度为142HV，晶粒沿轧制方向拉长，α固溶体上分布着较多的第二相，第二相为未溶的细小、呈带状分布S（Al2CuMg）相和较大的块状杂质相(AlCuFeMnSi相)。对于轧制的材料，由于晶粒的择优取向以及第二相的带状分布，所以垂直于轧制方向的力学性能比轧制方向的力学性能差。通过拉伸试验可知，垂直于轧制方向的抗拉强度为461MPa，仍满足设计的技术要求抗拉强度420MPa。可知材质成分符合要求，强度也符合设计要求。

从角盒的外观可知，断口大部分位于侧面与底面的棱，裂纹通过侧面的通孔，通孔附近的铝板也发生较大的变形，可知该位置为起裂位置，同时也表明受到过较大的应力。

角盒断面发黑，从微观形貌可知断口形貌清晰，C、O含量普遍较高，靠近通孔的断口上Zn含量很高，因此断面发黑应该是断后发生的污染；断面上分布着较大的颗粒，颗粒主要成分为C、O、Ca，该颗粒也是断后附着在断口上。

不同位置的断口形貌均一样，均为等轴韧窝，表明角盒的断裂为拉应力作用下的过应力韧性断裂，结合微观组织可知，拉应力的方向垂直于轧制方向。韧窝中存在细小的颗粒，也存在较为粗大的块状相，且颗粒与块状相的数量较多，而断口上的第二相表明角盒的断裂是沿着第二相与基体的界面发生的。颗粒的主要成分为Al、Cu，可知韧窝中细小的颗粒应为未溶的θ（Al2Cu）相；较为平整的位置则是较为粗大的AlCuFeMnSi杂质相；这些未溶相与杂质相均为铝合金中的脆性相，脆性第二相的存在会割裂基体，引起应力集中，促进裂纹萌生，降低力学性能。从断口分析可知，角盒的断裂为拉应力作用下的过应力韧性断裂，断面上存在较多的脆性第二相。

角盒的断裂为拉应力导致的过应力断裂，为瞬时发生的断裂，当外力大于材料强度时便发生过应力断裂，因此角盒的断裂原因有两方面：应力过大或材料强度过低。从角盒的外观可知，角盒在服役过程中曾受过较大的应力；角盒的材质为轧制的铝合金板材，由于晶粒的择优取向以及第二相的带状分布，垂直于轧制方向的力学性能较差，而造成断裂的拉应力方向正好垂直于轧制方向，即应力作用于材料的薄弱点。通过断口与微观组织可知，虽然存在较多的未溶θ相、S相以及AlCuFeMnSi杂质相等脆性第二相，但垂直于轧制方向的强度仍满足设计要求。据委托单位反映，该产品已经服役5年左右，而角盒断裂不为疲劳断裂，可知导致断裂的主要原因应该是角盒承受了瞬时的大应力。

4结论

角盒中存在较多的脆性第二相，但强度仍满足设计要求，角盒在较大的应力作用下发生瞬时的韧性断裂。

参考文献

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