某型教練機(jī)升降舵調(diào)整片支臂裂紋原因分析

黃鑫，尹曉霞，吳畏，黃勛，郝志福

（中航工業(yè)洪都，江西南昌330024）

某型教練機(jī)升降舵調(diào)整片支臂裂紋原因分析

黃鑫，尹曉霞，吳畏，黃勛，郝志福

（中航工業(yè)洪都，江西南昌330024）

針對(duì)某型教練機(jī)升降舵調(diào)整片支臂裂紋的問題，通過理化分析、強(qiáng)度分析鑒別裂紋的類型。從材料腐蝕傾向、拉伸應(yīng)力、腐蝕介質(zhì)三個(gè)方面研究其裂紋產(chǎn)生的根本原因。并結(jié)合支臂調(diào)整片的實(shí)際使用情況，提出了改進(jìn)措施。

教練機(jī)；支臂；應(yīng)力腐蝕裂紋

0 引言

2009年3月，在對(duì)某型教練機(jī)進(jìn)行日常維護(hù)檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)升降舵調(diào)整片支臂安裝關(guān)節(jié)軸承的孔壁有穿透性裂紋，見圖1。裂紋位于支臂軸承孔壁靠底部處，呈鋸齒狀，穿過軸承收口的沖點(diǎn)凹坑。裂紋附近無宏觀可見塑性變形。裂紋處部分區(qū)域表面漆層和氧化膜磨損，基體金屬裸露可見。為避免以后工程應(yīng)用上類似問題的發(fā)生，本文對(duì)該裂紋進(jìn)行了深入的研究，提出了貼合工程應(yīng)用的解決辦法，可為預(yù)防類似裂紋發(fā)生提供參考。

1 結(jié)構(gòu)簡介與裝配要求

升降舵調(diào)整片支臂是構(gòu)成調(diào)整片轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的重要構(gòu)件。升降舵調(diào)整片支臂為模鍛件，后期機(jī)加精加工,材料為LD5，熱處理要求σb≥365MPa，該支臂結(jié)構(gòu)及基本尺寸見圖2。

圖1 升降舵調(diào)整片支臂裂紋

升降舵調(diào)整片支臂通過6只CR3213-5-4抽釘與調(diào)整片下翼面鉚接，另一端則通過關(guān)節(jié)軸承與拉桿連接，并通過拉桿來驅(qū)動(dòng)調(diào)整片轉(zhuǎn)動(dòng)。軸承安裝后按標(biāo)準(zhǔn)HB0-37-C打沖點(diǎn)收口。升降舵調(diào)整片支臂與升降舵調(diào)整片、拉桿的連接如圖3所示。

圖2 支臂結(jié)構(gòu)及基本尺寸

圖3 升降舵調(diào)整片支臂與調(diào)整片、拉桿的連接示意

2 理化分析

在TESCAN VEGAⅡLMU掃描電鏡下觀察支臂調(diào)整片斷口如圖4所示：整個(gè)斷口形貌均為腐蝕形貌、泥紋花樣，符合應(yīng)力腐蝕斷口特征。

圖4 斷口形貌

金相分析結(jié)果如圖5所示，失效件斷口性質(zhì)為沿晶斷裂，符合應(yīng)力腐蝕斷口特征即斷口是沿晶斷裂的，在斷口和零件表面還能看到晶間腐蝕及裂紋存在，可以判斷該裂紋起源于圖2所示零件內(nèi)側(cè)與軸承配合處。

圖5 金相分析

由表1能譜結(jié)果表明,斷口表面存在腐蝕元素Cl元素，而Cl元素為LD5材料的敏感應(yīng)力腐蝕介質(zhì)。綜上所述，該失效件裂紋性質(zhì)為應(yīng)力腐蝕裂紋。

表1 斷口表面能譜結(jié)果

3 強(qiáng)度分析

3.1 靜強(qiáng)度校核

對(duì)升降舵調(diào)整片支臂進(jìn)行靜強(qiáng)度校核，在經(jīng)過按HB0-37-C標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行的沖頭沖點(diǎn)固定之后，支臂孔壁的邊距剪切剩余強(qiáng)度系數(shù)為3.29；擠壓剩余強(qiáng)度系數(shù)為8.31.因此，支臂的靜強(qiáng)度滿足使用要求。

3.2 應(yīng)力狀態(tài)分析

通過有限元軟件對(duì)支臂軸承口的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行仿真，得到在進(jìn)行沖頭沖點(diǎn)固定之前和沖頭沖點(diǎn)之后的支臂軸承口的應(yīng)力云圖如圖6所示。

由圖可見，未沖點(diǎn)時(shí)，支臂薄弱區(qū)域的最大應(yīng)力約為70MPa；沖點(diǎn)后，支臂薄弱區(qū)域的最大應(yīng)力上升至90MPa，且最下端的沖點(diǎn)凹坑處存在明顯的應(yīng)力集中，而裂紋也發(fā)生在該位置。

圖6 沖點(diǎn)前后應(yīng)力云圖

4 環(huán)境分析

根據(jù)斷口分析的結(jié)果，對(duì)該飛機(jī)服役的環(huán)境進(jìn)行了檢測(cè)。從檢測(cè)結(jié)果得知，該地區(qū)大氣、土壤、露水、地下水中含鹽量高，且主要成分是氯化物和硫酸鹽，與表1所示的斷口能譜結(jié)果相符。

5 裂紋原因綜合分析

根據(jù)斷口分析可知，支臂裂紋屬于應(yīng)力腐蝕裂紋，金屬材料發(fā)生應(yīng)力腐蝕必須具備三個(gè)必要條件，即材料本身具有應(yīng)力腐蝕傾向、受到拉伸應(yīng)力的作用和特定的腐蝕環(huán)境。

1）應(yīng)力腐蝕傾向

升降舵調(diào)整片支臂材料為LD5，是可熱處理強(qiáng)化的鍛鋁合金，主要成分為鋁、銅、鎂和硅，其中銅含量2.2%，鎂含量0.6%，硅含量1.0%，剩下均為鋁，銅和硅會(huì)降低鋁的耐腐蝕性，鎂則有利于鋁合金耐腐蝕性的提升。研究表明，當(dāng)LD5中銅含量超過2%時(shí)，合金中除了陽極相Mg2Si外，還有CuAl2等相，強(qiáng)化相Mg2Si是穩(wěn)定相，可以大大提高LD5的耐腐蝕性，但要注意鎂與鋁的比例，在1.7∶1附近效果比較好，而CuAl2在晶界富集，造成晶界處鋁的缺失，使得晶界處電位較低，當(dāng)有電解質(zhì)溶液進(jìn)入時(shí)，便形成電位差，容易形成腐蝕。因此，從其成分分析，LD5鋁合金有晶間腐蝕、剝落腐蝕和應(yīng)力腐蝕傾向。

2)拉伸應(yīng)力

支臂在工作過程中，受拉伸應(yīng)力作用，沖點(diǎn)凹坑位置存在應(yīng)力集中。雖然載荷作用的頻率和幅值有變化，但是，支臂工作過程中仍始終處于拉伸應(yīng)力狀態(tài)。雖然有資料表明壓應(yīng)力也可以引起應(yīng)力腐蝕裂紋，但Takano在1981年進(jìn)行的試驗(yàn)表明，在壓應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)的應(yīng)力腐蝕裂紋是由微觀拉應(yīng)力產(chǎn)生的，研究也進(jìn)一步表明，如果結(jié)構(gòu)中同時(shí)存在拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，將先從拉應(yīng)力區(qū)形成裂紋，并導(dǎo)致滯后斷裂，在壓應(yīng)力作用下應(yīng)力腐蝕裂紋的孕育期比拉應(yīng)力的高約2個(gè)數(shù)量級(jí)，裂紋的擴(kuò)展率也慢的多。因此，裂紋產(chǎn)生在支壁軸承口承受拉應(yīng)力的底部。

3)腐蝕環(huán)境

暴露在具有腐蝕環(huán)境的大氣中，并且由于沖點(diǎn)造成局部氧化膜破損，降低了支臂的防腐能力，這都提供了腐蝕產(chǎn)生的條件。

支臂孔壁產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂的直接原因是由于沖頭沖點(diǎn)固定軸承工藝的質(zhì)量控制較差，使極少數(shù)沖點(diǎn)過深過大而導(dǎo)致。一方面造成沖點(diǎn)凹坑區(qū)域的應(yīng)力集中，一方面也破壞了零件的氧化膜。氧化膜的破壞造成材料表面暴露在介質(zhì)中，因該處電極電位相對(duì)氧化膜完整的部分低，從而變成微電池的陽極，發(fā)生如下的陽極反應(yīng)：

金屬變成離子進(jìn)入腐蝕介質(zhì)，即產(chǎn)生陽極溶液，應(yīng)力集中能降低陽極電位，加速陽極金屬的溶解，以致氧化膜不能再恢復(fù)。當(dāng)零件處于腐蝕環(huán)境時(shí)，在腐蝕介質(zhì)的作用下，金屬原子變成離子進(jìn)入溶液，即（1）式，另一方面電子與溶液中的氧結(jié)合形成氫氧離子如（2）式：

由材料表面缺陷產(chǎn)生的微孔形成的閉塞區(qū)內(nèi)，氧迅速減少，縫內(nèi)的金屬離子水解產(chǎn)生氫離子，如（3）式：

因此，封閉區(qū)域內(nèi)的氫離子逐漸增多，與溶液中的氯離子結(jié)合形成腐蝕性極強(qiáng)的鹽酸，使得縫內(nèi)的腐蝕以自催化方式加速進(jìn)行。材料缺陷處很快就會(huì)發(fā)生晶界斷裂、晶粒分離，材料遭破壞。伴隨著應(yīng)力集中增大，當(dāng)應(yīng)力超過應(yīng)力腐蝕門檻值時(shí)，材料逐漸被撕開，裂紋隨即向深處發(fā)展，進(jìn)而再腐蝕，裂紋再擴(kuò)展，最終導(dǎo)致穿透性裂紋的產(chǎn)生。

6 改進(jìn)措施

1）調(diào)整材料組分

對(duì)于金屬材料來說，其化學(xué)成分及偏析情況、組織、晶粒度、晶格缺陷及其分布情況；材料的物理化學(xué)及機(jī)械等方面的性能；材料的表面狀況等，都對(duì)金屬的SCC（stress corrosion cracking）的敏感性產(chǎn)生影響。一般來說當(dāng)兩種金屬電極電位相差越大，合金中的雜質(zhì)含量越多，成分偏析越嚴(yán)重，則應(yīng)力腐蝕破裂的敏感性就越大。LD5中，鎂鋁的電位接近，銅與鎂鋁的電位差比較大，而硅是非金屬，因此從防腐角度看，應(yīng)該降低銅的含量。

2）降低拉應(yīng)力

拉應(yīng)力是SCC產(chǎn)生必不可少的一個(gè)因素，因此，降低拉應(yīng)力可以在一定程度上降低裂紋的產(chǎn)生。在工程實(shí)踐中，拉應(yīng)力產(chǎn)生一般有兩種途徑，一是加工制造過程中的殘余應(yīng)力，二是裝配和使用過程中產(chǎn)生的應(yīng)力。其中以焊接加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力影響最大。

3）改善介質(zhì)條件

可以通過以下兩方面來改善介質(zhì)條件：一方面設(shè)計(jì)減少和消除促進(jìn)應(yīng)力腐蝕的有害化學(xué)離子；也可以通過在腐蝕介質(zhì)中添加緩蝕劑。這兩種方法在工程實(shí)踐應(yīng)用中有一定的局限性，使用時(shí)要結(jié)合實(shí)際情況。

4）采用電化學(xué)保護(hù)

金屬在介質(zhì)中只在一定的電極電位范圍內(nèi)才會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，因此，采用外加電位的方法，使金屬在介質(zhì)中的電位遠(yuǎn)離應(yīng)力腐蝕敏感電位區(qū)域。

綜合考慮成本、工程應(yīng)用等各方面因素后，采取了第二種措施，即消除裝配過程中的內(nèi)應(yīng)力來解決本文中調(diào)整片支臂應(yīng)力腐蝕的問題。

考慮到之前軸承固定方式不當(dāng)引起零件表面氧化層的破壞，因此，為了避免沖頭沖點(diǎn)固定軸承可能產(chǎn)生的初始缺陷，對(duì)升降舵調(diào)整片支臂軸承固定方式進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，即將軸承固定方式由原來的HB0-37-C（沖頭沖點(diǎn)固定）改為HB0-37-A（鋼球滾壓收口）。這樣的軸承固定方式消除了沖擊裂紋，避免了氧化膜的破損，使得軸承口處過度平滑，降低了局部應(yīng)力集中，減少了由于裝配產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。

對(duì)改進(jìn)后的支臂進(jìn)行有限元分析，其應(yīng)力分布見圖7。由圖可知，支臂薄弱區(qū)域的最大應(yīng)力為60MPa，相對(duì)于改進(jìn)前，最大應(yīng)力降低約30%；而且從孔周圍的應(yīng)力云圖來看，相對(duì)于圖6，圖7中低應(yīng)力區(qū)域（藍(lán)色、淺藍(lán)色區(qū)域）較大，而高應(yīng)力區(qū)域（圖中綠色、粉紅色區(qū)域）減少了，說明改進(jìn)后的支臂孔邊的整體應(yīng)力水平得到了有效的降低。

圖7 支臂（設(shè)計(jì)改進(jìn)后）局部應(yīng)力云圖

7 結(jié)語

雖然以HB0-37-C為標(biāo)準(zhǔn)的沖頭沖點(diǎn)固定方式并不是造成本文中調(diào)整片支臂裂紋故障的根本原因，但是其產(chǎn)生的初始缺陷（局部應(yīng)力集中、沖擊裂紋、氧化膜破損等）在多方面因素（材料、應(yīng)力、環(huán)境）的作用下引發(fā)了連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致支臂產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂并最終失效。

經(jīng)過采取以HB0-37-A為標(biāo)準(zhǔn)的鋼球滾壓收口方式等改進(jìn)措施后，經(jīng)過多年使用，外場(chǎng)再無類似故障發(fā)生。表明雖然LD5鋁合金由于其材料特性，在拉應(yīng)力環(huán)境和腐蝕環(huán)境中易發(fā)生應(yīng)力腐蝕以致應(yīng)力腐蝕開裂，但是只要能采取措施有效控制其中某一項(xiàng)因素的產(chǎn)生，就能夠有效防止應(yīng)力腐蝕以及應(yīng)力腐蝕開裂的發(fā)生。

[1]楮武揚(yáng).氫損傷和滯后斷裂[M].北京：冶金工業(yè)出版社,1988

[2]傅彩獻(xiàn)，沈文霞，姚天揚(yáng).物理化學(xué)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1995

[3]姜偉之，趙時(shí)熙.工程材料的力學(xué)性能[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1994

[4]李曉剛.材料腐蝕與防護(hù)[M].湖南：中南大學(xué)出版社,2009

[5]《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》總編委會(huì).飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)·第3冊(cè)：材料（上）.北京：航空工業(yè)出版社,1997.

>>>作者簡介

黃鑫，男，1986年8月出生，2009年畢業(yè)于北京航空航天大學(xué)，工程師，現(xiàn)從事飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

Analysis on Cause of Crack on the Support Arm of Elevator Trim Tab of Trainer

Huang Xin,Yin Xiaoxia,Wu Wei,Huang Xun,Hao Zhifu
(AVIC Hongdu Aviation Industry Group,Nanchang,Jiangxi,330024)

The type of crack found on the support arm of trim tab of a trainer elevator is identified through the physicochemic analysis and strength analysis.The paper studies the basic cause for the crack from corrosion tendency,tensile stress and corrosive medium of material,and puts forward improvement measures according to the actual operation of trim tab of support arm.

trainer;support arm;stress corrosion crack

2016-01-10）