黃鑫，尹曉霞，吳畏，黃勛，郝志福

（中航工業(yè)洪都，江西南昌330024）

某型教練機升降舵調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）

針對某型教練機升降舵調整片支臂裂紋的問題，通過理化分析、強度分析鑒別裂紋的類型。從材料腐蝕傾向、拉伸應力、腐蝕介質三個方面研究其裂紋產生的根本原因。并結合支臂調整片的實際使用情況，提出了改進措施。

教練機；支臂；應力腐蝕裂紋

0 引言

2009年3月，在對某型教練機進行日常維護檢查時，發(fā)現(xiàn)升降舵調整片支臂安裝關節(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。為避免以后工程應用上類似問題的發(fā)生，本文對該裂紋進行了深入的研究，提出了貼合工程應用的解決辦法，可為預防類似裂紋發(fā)生提供參考。

1 結構簡介與裝配要求

升降舵調整片支臂是構成調整片轉動機構的重要構件。升降舵調整片支臂為模鍛件，后期機加精加工,材料為LD5，熱處理要求σb≥365MPa，該支臂結構及基本尺寸見圖2。

圖1 升降舵調整片支臂裂紋

升降舵調整片支臂通過6只CR3213-5-4抽釘與調整片下翼面鉚接，另一端則通過關節(jié)軸承與拉桿連接，并通過拉桿來驅動調整片轉動。軸承安裝后按標準HB0-37-C打沖點收口。升降舵調整片支臂與升降舵調整片、拉桿的連接如圖3所示。

圖2 支臂結構及基本尺寸

圖3 升降舵調整片支臂與調整片、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整片斷口如圖4所示：整個斷口形貌均為腐蝕形貌、泥紋花樣，符合應力腐蝕斷口特征。

圖4 斷口形貌

金相分析結果如圖5所示，失效件斷口性質為沿晶斷裂，符合應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所示零件內側與軸承配合處。

圖5 金相分析

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

表1 斷口表面能譜結果

3 強度分析

3.1 靜強度校核

對升降舵調整片支臂進行靜強度校核，在經過按HB0-37-C標準執(zhí)行的沖頭沖點固定之后，支臂孔壁的邊距剪切剩余強度系數(shù)為3.29；擠壓剩余強度系數(shù)為8.31.因此，支臂的靜強度滿足使用要求。

3.2 應力狀態(tài)分析

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

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

圖6 沖點前后應力云圖

4 環(huán)境分析

根據(jù)斷口分析的結果，對該飛機服役的環(huán)境進行了檢測。從檢測結果得知，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，支臂裂紋屬于應力腐蝕裂紋，金屬材料發(fā)生應力腐蝕必須具備三個必要條件，即材料本身具有應力腐蝕傾向、受到拉伸應力的作用和特定的腐蝕環(huán)境。

1）應力腐蝕傾向

升降舵調整片支臂材料為LD5，是可熱處理強化的鍛鋁合金，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LD5中銅含量超過2%時，合金中除了陽極相Mg2Si外，還有CuAl2等相，強化相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，當有電解質溶液進入時，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、剝落腐蝕和應力腐蝕傾向。

2)拉伸應力

支臂在工作過程中，受拉伸應力作用，沖點凹坑位置存在應力集中。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力狀態(tài)。雖然有資料表明壓應力也可以引起應力腐蝕裂紋，但Takano在1981年進行的試驗表明，在壓應力區(qū)出現(xiàn)的應力腐蝕裂紋是由微觀拉應力產生的，研究也進一步表明，如果結構中同時存在拉應力和壓應力，將先從拉應力區(qū)形成裂紋，并導致滯后斷裂，在壓應力作用下應力腐蝕裂紋的孕育期比拉應力的高約2個數(shù)量級，裂紋的擴展率也慢的多。因此，裂紋產生在支壁軸承口承受拉應力的底部。

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，這都提供了腐蝕產生的條件。

支臂孔壁產生應力腐蝕開裂的直接原因是由于沖頭沖點固定軸承工藝的質量控制較差，使極少數(shù)沖點過深過大而導致。一方面造成沖點凹坑區(qū)域的應力集中，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中，因該處電極電位相對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：

金屬變成離子進入腐蝕介質，即產生陽極溶液，應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。當零件處于腐蝕環(huán)境時，在腐蝕介質的作用下，金屬原子變成離子進入溶液，即（1）式，另一方面電子與溶液中的氧結合形成氫氧離子如（2）式：

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

因此，封閉區(qū)域內的氫離子逐漸增多，與溶液中的氯離子結合形成腐蝕性極強的鹽酸，使得縫內的腐蝕以自催化方式加速進行。材料缺陷處很快就會發(fā)生晶界斷裂、晶粒分離，材料遭破壞。伴隨著應力集中增大，當應力超過應力腐蝕門檻值時，材料逐漸被撕開，裂紋隨即向深處發(fā)展，進而再腐蝕，裂紋再擴展，最終導致穿透性裂紋的產生。

6 改進措施

1）調整材料組分

對于金屬材料來說，其化學成分及偏析情況、組織、晶粒度、晶格缺陷及其分布情況；材料的物理化學及機械等方面的性能；材料的表面狀況等，都對金屬的SCC（stress corrosion cracking）的敏感性產生影響。一般來說當兩種金屬電極電位相差越大，合金中的雜質含量越多，成分偏析越嚴重，則應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，應該降低銅的含量。

2）降低拉應力

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

3）改善介質條件

可以通過以下兩方面來改善介質條件：一方面設計減少和消除促進應力腐蝕的有害化學離子；也可以通過在腐蝕介質中添加緩蝕劑。這兩種方法在工程實踐應用中有一定的局限性，使用時要結合實際情況。

4）采用電化學保護

金屬在介質中只在一定的電極電位范圍內才會產生應力腐蝕，因此，采用外加電位的方法，使金屬在介質中的電位遠離應力腐蝕敏感電位區(qū)域。

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

考慮到之前軸承固定方式不當引起零件表面氧化層的破壞，因此，為了避免沖頭沖點固定軸承可能產生的初始缺陷，對升降舵調整片支臂軸承固定方式進行設計改進，即將軸承固定方式由原來的HB0-37-C（沖頭沖點固定）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，降低了局部應力集中，減少了由于裝配產生的內應力。

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

圖7 支臂（設計改進后）局部應力云圖

7 結語

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

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

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

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

[3]姜偉之，趙時熙.工程材料的力學性能[M].北京：北京航空航天大學出版社，1994

[4]李曉剛.材料腐蝕與防護[M].湖南：中南大學出版社,2009

[5]《飛機設計手冊》總編委會.飛機設計手冊·第3冊：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，工程師，現(xiàn)從事飛機結構設計工作。

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）