关键词：水陆两栖飞机；飞机零部件；2A12铝合金；浮筒接头；过应力断裂
Failure analysis of the aerofloat joint
Zhou Song Wei,Guo Zhi Wen, Tong Jun Mei
(AVIC GA Huanan Aircraft Industry Co.,Ltd., Zhuhai 519000, China)
Abstract：As an important structural component of amphibious aircraft, the aerofloat will be subjected to large water impact during take-off or landing in the water. A certain type of aircraft finds that its aerofloat joint is broken during the post-flight inspection. Its material is high strength 2A12 aluminum alloy. In this paper, macroscopic morphology inspection, chemical composition analysis, and scanning electron microscopy (SEM) are used to analyze the causes of fracture during the use of the aerofloat joint. The results show that the aerofloat joint is subjected to overstress fracture due to the large external force during use.
Key Words:Amphibious aircraft; Airplane parts;2A12 Aluminum alloy;Aerofloat joint; Overstress fracture；
1 引言
在众多飞机机型当中，水陆两栖飞机因其独特的水陆起降特性而在民用和军事等多个领域具有一定的应用优势，其中浮筒是该类飞机的一个主要结构部件，其主要起到支撑飞机在水面漂浮、滑行，保证机体不过度倾斜的作用，而其在水中着陆或起飞过程中，会受到较大的水冲击力，这就对其材料的选择及结构的设计具有较高的要求[1-3]。飞机在飞行后进行检查发现，其浮筒接头发生了断裂现象，该零件材质是2A12铝合金，为高强度铝合金，其具有比强度高，淬火和退火状态下塑性较好，淬火时效态和冷作硬化后切削加工性较好等特性，因而被广泛应用于航空航天等领域[4-6]。
研究表明造成2A12铝合金断裂的原因有很多种，比如应用环境的影响，相比于低温真空环境，常温大气下的铝合金疲劳寿命最低[7]，而沿海和内陆湿热环境中富含的氯化物、硫化物等介质，铝合金结构对其也易表现出很强的腐蚀敏感性。铝合金内的微量元素以及其热处理方式也会对其型材组织造成一定的影响，进而影响材料强度[8-9]。对于飞行器用铝合金其常受到外力的冲击载荷是造成铝合金断裂的一个重要因素，实验研究表明随着外加应力的增大，铝合金的疲劳寿命显著降低[7、10-11]。在实际断裂情况中，也可能是多种因素共同作用造成的，通过科学有效的分析找出正确的断裂原因，才能改进相应零部件，减少断裂事故发生。
本文通过宏观形貌检查、化学分析、扫描电镜（SEM）及金相观察等方法，排除环境的腐蚀氧化、执处理工艺以及材料本身的因素，分析得到得到浮筒接头发生断裂的原因即为受到过大外力造成的应力断裂。
2 试验方法
2.1 宏观形貌检查
浮筒接头断裂后状态如图1所示，将断裂面用酒精清洗后，在体视显微镜下对断口表面进行宏观形貌观察，结果如图2所示：断口表面可见明显的坑洼状态，呈亮灰色，断面干净，无明显腐蚀或氧化现象，断口未见明显裂纹源区域。
图 1 浮筒接头断裂状
Fig. 1 Fracture of Aerofloat Joint
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图2 浮筒接头断口宏观形貌照片
Fig. 2 Macro-morphological photograph of the fracture of the Aerofloat joint
2.2 化学成分分析（ICP-OES）
化学成分是性能的主要影响因素之一，为测试浮筒接头的化学成分，使用电感耦合等离子原子发射光谱仪（ICP-OES）对样品进行成分分析，具体结果如表1所示。根据GB/T3190-2008对2A12的化学成分要求，浮筒接头铜元素含量位于上限值，不予判定是否合格，其它元素均符合标准要求。
表1 浮筒接头化学成分分析结果
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2.3 SEM&EDS
在浮筒接头断口表面选取三个区域，如图3（a）、（b）所示，采用扫描电子显微镜对其进行微观形貌观察，三个区域在不同倍率的显微镜下检测结果如图3(c)~(h)所示。结果表明：
1.在三个观察区域的断面上均发现了韧窝形态，为典型的过应力断裂特征。
2.在高倍率的显微镜观察下，在A、C区域的断面上发现大量第二相。
（a）.png)
（b）
(c) 区域A形貌 ×200 (d) 区域A形貌 ×1500
(c)The morphology of Area A ×200 (d)The morphology of Area A ×1500
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(e) 区域B形貌 ×200 (f) 区域B形貌 ×1500
(e)The morphology of Area B ×200 (f)The morphology of Area B ×1500
(g) 区域C形貌 ×500 (h) 区域C形貌 ×2000
(g)The morphology of Area C ×500 (h)The morphology of Area C ×2000
图3 断口表面SEM形貌照片
Fig. 3 SEM morphology of fracture surface
对断面部分区域进行背散射和二次电子形貌对比，结果如图4所示。第二相主要有颗粒状和长条状两种形态，对其进行EDS分析发现，颗粒状物质主要含有镁(Mg)、铝(Al)、铜(Cu)元素，相比于正常区域，镁(Mg)和铜(Cu)元素含量升高，铝(Al)元素含量下降，具体如图5(a)、(b)所示。而长条状物质主要铝(Al)、铜(Cu)、铁(Fe)、锰(Mn)元素，未检测到镁(Mg)元素存在，具体如图5(c)所示。在整个断口表面均未检测到异常元素。
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（a） （b）
（C） （b）
图4 断口表面背散射和二次电子形貌结果照片
Figure 4 Photographs of fracture surface backscattering and secondary electron morphology
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2.4金相观察
截取断口附近试样，对其纵向截面进行金相观察，结果如图6所示。固溶处理后已完全再结晶，金相组织呈现出明显拉拔状态组织，晶粒沿轧制方向拉长，α固溶体上分布着较多的第二相，第二相呈现颗粒状（Al2CuMg相）和长条状（AlCuFeMn相），第二相也是沿轧制方向分布，接头金相组织无异常，材料的热处理工艺正常。
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（a）金相组织×100 （b）金相组织×500
(a)Metallographic structure×100 (b) Metallographic structure×100
图6 金相结果照片
Figure 6 Metallographic results photos
2.5 硬度测试
在浮筒接头断裂样品上截取试样，进行维氏硬度测试（HV0.3），结果为144，具体结果如表2所示。
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3 综合分析
本文对某型号飞机零件——浮筒接头使用过程中发生断裂的原因进行分析得：
由断口宏观形貌观察结果可知，断口表面呈亮灰色，断面干净，无明显腐蚀和氧化现象，表面可见明显的坑洼现象。
由断裂接头化学成分结果可知，铜元素含量位于上限值，不予判定是否合格，其他元素含量均满足标准要求。铜元素为主要合金元素，有一定的固溶强化效果，Cu/Mg比值是决定相组成的主要原因，Cu元素含量位于上限值附近，主要强化相由Al2CuMg相过渡到Al2Cu相，两种强化相共存，并不会降低材料的强度[12]。
由断口微观形貌观察结果可知，整个断口表面均呈现出韧窝形貌，为典型的过应力断裂特征。在断口表面观察到颗粒状和长条状的第二相，EDS分析发现，颗粒状物质主要含有镁(Mg)、铝(Al)、铜(Cu)元素，长条状物质主要含有铝(Al)、铜(Cu)、铁(Fe)、锰(Mn)元素。结合金相结果可知，固溶处理后已完全再结晶，接头金相组织呈现明显的拉拔状态，晶粒沿轧制方向拉长，α固溶体上分布着较多的第二相，第二相呈现颗粒状（Al2CuMg相）和长条状（AlCuFeMn相）两种形态，接头金相组织无异常，热处理工艺也无异常。
综上所述，断裂接头化学成分除铜元素位于上限值附近外，其余元素均满足标准要求，金相组织无异常，断口整个表面均呈现出韧窝状态，为典型的过应力断裂特征。过应力断裂由两个原因：材料本身强度过低或者材料所受外力过大，综合分析情况，材料未见明显缺陷，因此零件的断裂应为外力过大导致的。
4结论
对断裂的浮筒接头采用宏观形貌检查、化学分析、扫描电镜（SEM）及金相观察等方法分析研究得到其断裂的原因为受到过大外力造成的应力断裂。将该结果反馈于设计人员，通过改进浮筒接头结构提高其受力强度，预防断裂的再次发生。
参考文献
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论文作者:周松蔚,杨星野,童俊梅,杨致远
论文发表刊物:《科学与技术》2019年19期
论文发表时间:2020/4/29
标签：浮筒论文; 金相论文; 形貌论文; 断口论文; 铝合金论文; 应力论文; 飞机论文; 《科学与技术》2019年19期论文;