SAE標(biāo)準(zhǔn)中管路件S-N曲線彎曲疲勞試驗研究及應(yīng)用

吳子龍 文 放 焦志強(qiáng) 鄭朔昉

（中航工業(yè)綜合技術(shù)研究所，北京 100028）

管路系統(tǒng)在飛機(jī)飛行期間，除了受到內(nèi)部介質(zhì)壓力的作用外，還會受到因飛機(jī)結(jié)構(gòu)的彈性變形，以及因高低空的溫度變化所導(dǎo)致的各種不同形式外力的影響，其中最危險的外力是在導(dǎo)管連接處的徑向彎曲載荷。為保證系統(tǒng)在飛機(jī)整個服務(wù)期內(nèi)的安全，導(dǎo)管及其連接件必須能夠承受這些形式的外力變化，即管路件的彎曲疲勞強(qiáng)度要求。

彎曲疲勞強(qiáng)度考核常用的方法是S-N曲線彎曲疲勞試驗，國外管路件S-N曲線彎曲疲勞試驗體系及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)已比較完善，而國內(nèi)S-N曲線彎曲疲勞試驗剛起步，試驗方法和評價標(biāo)準(zhǔn)等方面尚不健全，本文通過對國外管路件S-N曲線彎曲疲勞試驗相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)研究的基礎(chǔ)上，對國內(nèi)S-N曲線彎曲疲勞試驗體系及標(biāo)準(zhǔn)體系的完善提供了若干參考建議，并對典型鈦合金管路件做了失效分析。

對于航空管路件彎曲疲勞強(qiáng)度的要求，不同國家的標(biāo)準(zhǔn)有不同的規(guī)定。歐美及國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的規(guī)范規(guī)定，在導(dǎo)管中充以工作壓力，導(dǎo)管上距離連接件（管套或平管嘴）5 mm處測得的導(dǎo)管最大應(yīng)力等于±σb/4（σb為導(dǎo)管抗拉強(qiáng)度）的條件下，導(dǎo)管應(yīng)能通過107次應(yīng)力循環(huán)。試驗可以采用3種不同的方法進(jìn)行：一種是懸臂梁式振動試驗，一種是簡支梁式振動試驗，第3種是S-N曲線彎曲疲勞試驗。

這3種試驗方案在國內(nèi)都有所使用，其中懸臂梁式的振動試驗和S-N曲線彎曲疲勞試驗都比較準(zhǔn)確，而簡支梁式振動試驗由于加壓用軟管的重量影響難以消除且不確定，所以試驗結(jié)果說服力相對不強(qiáng)，經(jīng)過某些加權(quán)處理后的試驗結(jié)果同標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的值比較接近。

在懸臂梁式的振動試驗和S-N曲線彎曲疲勞試驗中，懸壁梁式的試驗方法需要振動試驗臺，并且要非常準(zhǔn)確地調(diào)整配重，否則就無法對多根試件同時試驗，S-N曲線彎曲疲勞試驗則沒有此問題，可以同時對多根試件進(jìn)行試驗，而且所需試驗設(shè)備的成本也遠(yuǎn)低于振動試驗臺，因此，美國的技術(shù)人員一直主張采用S-N曲線彎曲疲勞試驗方法來檢驗導(dǎo)管連接件的抗彎曲疲勞性能。

1 S-N曲線彎曲疲勞試驗

1.1 試驗方法

S-N曲線彎曲疲勞試驗的關(guān)鍵在于對疲勞應(yīng)力的選擇，彎曲疲勞的總應(yīng)力Sf包含內(nèi)部油壓產(chǎn)生的應(yīng)力Sp，以及外部施加的彎曲應(yīng)力S，即Sf=S+Sp。

S-N曲線彎曲疲勞試驗方法簡述：如圖1所示，將試驗件一端安裝可拆卸管接頭后擰緊固定至試驗臺尾座，與尾座的液壓接頭相連通；將另一端用變徑管接頭封堵，轉(zhuǎn)動尾座移動手柄，再將此端呈自由狀態(tài)安裝至試驗臺頭座的自調(diào)心軸承；調(diào)整尾座對準(zhǔn)螺栓和調(diào)偏螺栓，用百分表觀察，保證自由狀態(tài)下對心后的試驗件偏心度不超過20μm；在距離可拆卸管接頭5mm±1 mm位置A和B兩個處呈90°貼兩個應(yīng)變片，如圖2所示；將應(yīng)變片連接應(yīng)變儀，對試驗件施加油壓Sp，并在試驗全程保持油壓，調(diào)節(jié)試驗臺的調(diào)偏螺栓，對管路件施加預(yù)先設(shè)置好的彎曲應(yīng)力S后，固定好試驗件、試驗臺的頭座和尾座，撤去應(yīng)變儀和調(diào)偏螺栓，即可開展試驗。導(dǎo)管位置A和B各自總應(yīng)力Sf均呈正弦曲線變化，位置A和B的總應(yīng)力Sf相差1/4個正弦周期。Sf應(yīng)力值最大為S+Sp，最小為S-Sp。

圖1 S-N曲線彎曲疲勞試驗示意圖

圖2 S-N曲線彎曲疲勞試驗中兩個應(yīng)變片在導(dǎo)管上的位置

1.2 國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分析

SAE MA2003《液壓管路連接和接頭的彎曲疲勞試驗方法，公制》（Rotary Flexure Testing of Hydraulic Tubing Joints and Fittings，Metric）和SAE ARP1185《液壓管路連接和接頭的彎曲疲勞試驗方法，英制》（Rotary Flexure Testing of Hydraulic Tubing Joints and Fittings）同為SAE體系中彎曲疲勞試驗方法，均規(guī)定了S-N曲線彎曲疲勞試驗每個規(guī)格的試驗件數(shù)量為8件，分為4個應(yīng)力進(jìn)行試驗，每個應(yīng)力試驗件數(shù)量為2件。但2種試驗方法各有自己特點：

SAE MA2003適用于公制管路件，按照拉伸強(qiáng)度的百分比來選擇前3個彎曲應(yīng)力S，最大的彎曲應(yīng)力按照拉伸強(qiáng)度的35%選取，次大彎曲應(yīng)力按照拉伸強(qiáng)度的25%選取，第3彎曲應(yīng)力按照拉伸應(yīng)力的23%選取，最小彎曲應(yīng)力根據(jù)第3彎曲應(yīng)力下試驗件的試驗情況靈活選取，在最小應(yīng)力下，試驗件應(yīng)能完成107次的彎曲疲勞試驗，最小應(yīng)力值通常會在相應(yīng)的管路件規(guī)范中給出。

SAE ARP1185適用于英制管路件，根據(jù)導(dǎo)管的材料來選取彎曲應(yīng)力，對于不銹鋼和鈦合金管路件，最大彎曲應(yīng)力選取245 MPa，次大彎曲應(yīng)力選取175 MPa，第3彎曲應(yīng)力選取161 MPa，最小彎曲應(yīng)力也可根據(jù)第3彎曲應(yīng)力下試驗件的試驗情況靈活選取；對于鋁合金管路件，最大彎曲應(yīng)力選取140 MPa，次大彎曲應(yīng)力選取70 MPa，第3彎曲應(yīng)力選取56 MPa，最小彎曲應(yīng)力選取方法同上。

假設(shè)管材的抗拉強(qiáng)度為700 MPa時，SAE MA2003和SAE ARP1185的前3個彎曲應(yīng)力S剛好相同；當(dāng)管材拉伸強(qiáng)度超過700 MPa時，MA 2003中前3個的彎曲應(yīng)力S均比SAE ARP1185規(guī)定的數(shù)值大；如果管材的拉伸強(qiáng)度不斷增加，SAE MA2003的應(yīng)力條件會更加嚴(yán)酷。2個試驗方法可根據(jù)客戶的需求靈活選取。

在SAE AS4401《56MPa可拆卸、永久連接液壓流體系統(tǒng)試驗規(guī)范》（Separable Fittings,Permanent Fittings, Tubing，F(xiàn)luid Systems 8ksi qualification Test Standard for，56MPa）、SAE AS6116《10.5MPa鋁合金連接軸向擠壓無擴(kuò)口管路流體系統(tǒng)規(guī)范》（Aluminum Fittings，Axially Swaged Tube with Flareless Separable，F(xiàn)luid System Up to 10.5MPa Maximum，Specif i cation for）、SAE AS4459《21～28MPa流體系統(tǒng)外擠壓管路件規(guī)范》,（Externally Swaged，Specification for Fittings，Tube，F(xiàn)luid System（21～28MPa Rated Pressure））等管路件規(guī)范中，對不同壓力管路件的S-N曲線彎曲疲勞的判據(jù)做了較為詳細(xì)的說明，S-N曲線彎曲疲勞試驗的判據(jù)由彎曲疲勞S-N曲線圖譜和對照表組成。以SAE AS4459為例，其彎曲疲勞S-N曲線圖譜和對照表如圖3和表1所示，彎曲疲勞試驗判據(jù)圖譜是彎曲應(yīng)力S和彎曲循環(huán)次數(shù)N的函數(shù)關(guān)系，根據(jù)彎曲疲勞試驗的經(jīng)驗，在S-N坐標(biāo)系中，以等同的區(qū)間分布為原則，繪制了12條比對曲線，編號分別為0、0.5、1、1.5、2、2.5、3、4、5、6、7、8以方便結(jié)果的比對。在彎曲疲勞的判據(jù)對照表中給出了不同規(guī)格常用材料管路件（鋁合金、鈦合金和不銹鋼）合格要求，分為兩個方面：一是在表中規(guī)定的最小應(yīng)力下，彎曲疲勞試驗至少完成107次壽命循環(huán)；二是規(guī)定了在其他應(yīng)力下彎曲疲勞循環(huán)次數(shù)應(yīng)不低于彎曲疲勞圖譜中曲線上的理論值。例如：外徑為1.0 in的鋁合金管路件，從對照表查出，該規(guī)格管路件除滿足在應(yīng)力為4.0 ksi時應(yīng)完成107次的彎曲循環(huán)外，還應(yīng)滿足在其他應(yīng)力條件下的循環(huán)次數(shù)應(yīng)不低于第8號曲線；再例如公稱外徑為0.25 in的管路件，除滿足在應(yīng)力為4.0 ksi時應(yīng)完成107次的彎曲循環(huán)外，還應(yīng)滿足在其他應(yīng)力條件下的循環(huán)次數(shù)應(yīng)不低于第6.6號曲線，而在圖譜中看不到6.6號曲線，此時需將第6號曲線和第7號曲線之間的區(qū)間進(jìn)行10等分，取出第6.6號曲線。

圖3 SAE AS4459中彎曲疲勞試驗圖譜

在SAE中，S-N曲線彎曲疲勞數(shù)據(jù)庫類標(biāo)準(zhǔn)是SAE AIR1418《導(dǎo)管連接彎曲疲勞強(qiáng)度》（Flexure Fatigue Strength of Tube Fitting Joints），該標(biāo)準(zhǔn)于2013年修訂，標(biāo)準(zhǔn)中的S-N曲線數(shù)據(jù)庫是基于不銹鋼無擴(kuò)口錐套式管路件的全規(guī)格試驗數(shù)據(jù)構(gòu)建，壓力級別21 MPa，數(shù)據(jù)庫可為其他壓力級別和不同類型不銹鋼管路件的彎曲疲勞壽命提供參考。鈦合金和鋁合金數(shù)據(jù)在標(biāo)準(zhǔn)并未展現(xiàn)。鈦合金管路件近年來研制進(jìn)度很快，國外著名的管路件公司，如Permaswage，Eaton等，在21 MPa級別以上的鈦合金管路件研發(fā)過程中，積累了大量S-N曲線彎曲疲勞試驗數(shù)據(jù)，但均未公開。

表1 SAE AS4459中彎曲疲勞試驗對照表

國內(nèi)尚無S-N曲線彎曲疲勞試驗方法相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，HB 6442-1990《飛機(jī)液壓導(dǎo)管及連接件彎曲疲勞試驗》中只規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)彎曲疲勞試驗，即6個試驗件在規(guī)定的應(yīng)力條件下應(yīng)全部通過107次旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞的考核。

航標(biāo)中有2個管路件規(guī)范HB 4-1-2002《擴(kuò)口管路件通用規(guī)范》和HB 5966-2008《24°無擴(kuò)口導(dǎo)管連接件通用規(guī)范》。HB 4-1-2002的4.4檢驗方法中未規(guī)定S-N曲線彎曲疲勞試驗，事實上，由于導(dǎo)管的擴(kuò)口，導(dǎo)致導(dǎo)管壁減薄，擴(kuò)口管路件在導(dǎo)管連接處的徑向彎曲載荷承受能力低于同壓力級別的無擴(kuò)口管路件，擴(kuò)口管路件通用規(guī)范中增加S-N曲線彎曲疲勞試驗考核顯得十分必要；HB 5966-2008中規(guī)定S-N曲線彎曲疲勞試驗可替代標(biāo)準(zhǔn)彎曲疲勞試驗，但沒有詳細(xì)給出應(yīng)力水平的選擇方法和28MPa級別下的公制S-N曲線彎曲疲勞試驗的判據(jù)。

1.3 公制S-N曲線彎曲疲勞試驗判據(jù)建立

試驗方法上，可根據(jù)試驗的要求靈活選用SAE MA2003和SAE ARP1185。在美標(biāo)體系中，并未給出公制管路件S-N曲線彎曲疲勞試驗判據(jù)。因此需將英制的彎曲疲勞圖譜和對照表分別轉(zhuǎn)化為公制形式。仍以SAE AS4459為例，通過用MATLAB對圖3進(jìn)行數(shù)學(xué)模型分析，彎曲疲勞S-N曲線圖譜的各條曲線符合指數(shù)函數(shù)模型，根據(jù)7 MPa≈1 ksi的壓力公英制轉(zhuǎn)換關(guān)系，求得21 MPa～28 MPa管路件的12條公制彎曲疲勞S-N曲線圖譜如圖4所示。

根據(jù)1 in≈25.4 mm的尺寸公英制轉(zhuǎn)換關(guān)系，將表1轉(zhuǎn)換為21 MPa～28 MPa壓力級別公制不同管徑不

同材料的S-N曲線彎曲疲勞判據(jù)，如表2所示。

2 鈦合金彎曲疲勞試驗件典型失效分析

2.1 斷裂過程

本文在建立公制S-N曲線彎曲疲勞試驗體系的基礎(chǔ)上，對某廠生產(chǎn)的大量不同規(guī)格公制鈦合金管路件S-N曲線彎曲疲勞試驗，分析了鈦合金管路件典型的斷裂過程。將斷裂的管路件從試驗臺上取下，清潔斷口后，用金相顯微鏡觀察管路件斷裂位置的剖面，如圖5所示，上部零件是導(dǎo)管壁，下部零件是管套凹槽。從圖中可以看出，導(dǎo)管的斷裂位置在管接頭凹槽棱角處，這是由于凹槽棱角處較為尖銳，導(dǎo)管在彎曲疲勞應(yīng)力作用下，被迫與凹槽的棱角相互作用，導(dǎo)致導(dǎo)管表面形成應(yīng)力集中區(qū)，該應(yīng)力集中區(qū)成為疲勞裂紋形成的疲勞源。

圖4 SAE AS4459中彎曲疲勞試驗圖譜

圖5 鈦合金管路件彎曲疲勞典型斷裂位置

國外管路件公司管接頭設(shè)計中針對凹槽的棱角的倒角規(guī)定范圍是：0.005 in ～0.010 in，而國內(nèi)尚未關(guān)注未對凹槽的倒角進(jìn)行有效的控制導(dǎo)致管路件失效問題。

表2 21MPa～28MPa公制管路件的S-N曲線彎曲疲勞判據(jù)

2.2 管路件失效分析

將斷裂后的試驗件的斷面用掃描電鏡觀察，其電鏡圖片如圖6所示。

圖6 失效管路件的導(dǎo)管斷裂面掃描電鏡圖片

從圖6（a）中可以看出，導(dǎo)管的斷裂是沿著導(dǎo)管徑向，從外表面向內(nèi)部斷裂，導(dǎo)管在斷裂過程中形成了疲勞斷裂帶，從圖6（b）中可以看出，在導(dǎo)管的內(nèi)管壁上出現(xiàn)了較多的微裂紋，微裂紋的出現(xiàn)可能是因為導(dǎo)管的內(nèi)壁的粗糙度不均勻，在內(nèi)部液壓的作用下，微裂紋從內(nèi)表面的溝壑開始沿著徑向向外部擴(kuò)展；在彎曲疲勞應(yīng)力作用下，導(dǎo)管外表面的裂紋向內(nèi)部擴(kuò)展，在內(nèi)外裂紋不斷擴(kuò)展下，導(dǎo)管壁厚不斷減小，當(dāng)壁厚不足以承受28 MPa的內(nèi)部液壓和外部彎曲應(yīng)力時，導(dǎo)管發(fā)生了突然斷裂。

3 S-N曲線彎曲疲勞試驗若干建議

依據(jù)國外S-N曲線彎曲疲勞試驗體系，建立公制S-N曲線彎曲疲勞試驗標(biāo)準(zhǔn)體系，包含試驗方法，不同壓力下的S-N曲線彎曲疲勞試驗判據(jù)，應(yīng)在試驗過程中不斷積累相關(guān)試驗數(shù)據(jù)，建立類似SAE AIR1418的公制S-N曲線彎曲疲勞試驗數(shù)據(jù)庫。

通過某廠28MPa鈦合金管路件的S-N曲線彎曲疲勞試驗，經(jīng)失效分析，建議提高管路件彎曲疲勞壽命的措施有：應(yīng)有效的控制管套內(nèi)部凹槽的倒角大?。粐?yán)格控制導(dǎo)管內(nèi)壁的粗糙度，可采用噴丸的方式，對導(dǎo)管內(nèi)壁進(jìn)行表面強(qiáng)化，并使得內(nèi)壁的粗糙度均勻化，從而減小在內(nèi)部液壓下裂紋擴(kuò)展的機(jī)會；在預(yù)裝導(dǎo)管時，應(yīng)控制導(dǎo)管和管接頭直徑的空隙量，在保證密封的前提下，盡可能的減小外擠壓應(yīng)力，減小導(dǎo)管的塑性變形。