如何體現(xiàn)民用航空工程材料失效分析課程的特色

丁坤英 馮日寶

[摘要]失效分析揭示了航空工程材料的危險源，可以預防同類事故的再次發(fā)生，提升飛行器安全水平。民用航空工程材料的種類、載荷條件、使用環(huán)境等有其行業(yè)特殊性，所以失效形式、分析手段等也存在特殊性。民用航空工程材料失效分析課程不能按照一般性材料失效分析所涵蓋的內(nèi)容講授，而是需要根據(jù)行業(yè)特色布置授課內(nèi)容、安排教學方法。為突出民用航空特色，需要針對民用航空工程材料工況條件下的失效分析進行重點講解，針對樹脂基復合材料的失效進行專題講解，針對民用航空工程材料的失效進行案例教學。

[關鍵詞]民用航空 工程材料 失效分析

一、失效分析在民用航空領域的重要作用

1903年12月世界上誕生第1架飛機，揭開了航空史上的第一頁，從此載人航空器走進了人們的視線，并與日常生活產(chǎn)生了密不可分地聯(lián)系。兩次世界大戰(zhàn)促使航空器制造技術迅猛發(fā)展，也促使民用航空領域發(fā)展成為一個產(chǎn)業(yè)，20世紀50年代以后，民用航空的服務范圍不斷擴大，成為一個國家的重要經(jīng)濟部門。

航空事業(yè)走過了100多年的路程，其中也伴隨了諸多波折。在飛機發(fā)明后不久的1908年發(fā)生了第一起航空事故，此后隨著飛機的大量使用，飛行事故也是頻頻發(fā)生，甚至在1985年發(fā)生了單機死亡520人的重大災難。在災難面前，民航人沒有停下腳步，而是積極面對。為了避免同類事故的再次放生，每一次事故發(fā)生后，專業(yè)人員都會針對事故現(xiàn)場進行失效分析。1915年英國成立了世界上第一個航空事故調(diào)查機構(gòu)，1967年美國成立國家運輸安全委員會負責航空事故的調(diào)查，2007年中國成立航空事故調(diào)查中心承擔我國航空事故的調(diào)查工作，這些調(diào)查機構(gòu)的重要工作就是進行失效分析。針對失效分析揭示出的不同層面上的危險源，進行設計更改、工藝變更、材料更新等，可以促使民用航空器安全水平整體性的提高。經(jīng)過失效分析人員不斷地努力，民航定期航班達到了平均飛行1420000架次發(fā)生一起嚴重飛行事故（百萬飛行架次事故率0.7）的水平[1]。根據(jù)美國1985年的統(tǒng)計，民航班機事故率約為汽車的三百分之一，約為火車的二分之一，也就是說，民航飛機成為了最安全的交通工具。沒有哪種交通工具比航空器更重視失效分析，失效分析為提高飛機的安全性水平做出了重大貢獻！

二、民用航空中失效的主要材料種類及主要形式

產(chǎn)品或零件喪失原設計所規(guī)定功能的現(xiàn)象稱為失效。有些失效是系統(tǒng)性的，有些失效是部件級的。不同級別的失效都與基礎材料的失效有關，研究材料的失效是研究航空器失效的基礎。航空工程材料的類型主要有鋁合金、鈦合金、鎳基合金、高強鋼和先進復合材料[2]。用在航空領域的鋁合金主要是2系和7系鋁合金，具有代表性的是2024和7075鋁合金。2系鋁合金屬于Al-Cu-Mg系合金，具有較高的塑性、疲勞壽命、斷裂韌性和抗疲勞裂紋擴展性能，但抗蝕性較差。該合金主要用在機身、機翼、肋板和腹板以及對強度要求高的其他結(jié)構(gòu)件上。7系鋁合金屬于Al-Zn-Mg-Cu系合金，這類合金具有高的比強度和硬度、較好的耐腐蝕性能和較高的韌性、優(yōu)良的加工性能，廣泛使用于飛機結(jié)構(gòu)的重要受力零件，如飛機蒙皮、翼梁、隔框、長桁、起落架及液壓系統(tǒng)部件等。民用航空材料中的鋁合金的失效主要是貨艙鋁合金的腐蝕。貨艙的典型結(jié)構(gòu)元件包括隔框、長桁、蒙皮壁板以及緊固件，除高鎖螺栓為鈦合金外，其他結(jié)構(gòu)元件和緊固件的材質(zhì)都為2系或7系鋁合金。鋁合金的腐蝕以萌生于各元件裝配面縫隙或緊固件孔縫隙的剝層腐蝕為主，特別是在貨艙底部的隔框/蒙皮的連接處以及長桁/蒙皮的連接處腐蝕最為嚴重[3]。鈦合金具有較高的比強度及耐腐蝕、抗氧化性能，除了緊固件外，最主要是用在發(fā)動機的轉(zhuǎn)子盤和葉片，最具代表性的是Ti-6Al-4V合金。民用航空鈦合金的失效形式主要是疲勞斷裂。不論是發(fā)動機的轉(zhuǎn)動部件還是機身的緊固件，都承受循環(huán)載荷的作用，而連接件和轉(zhuǎn)動部件又都存在應力集中區(qū)域，是疲勞斷裂易發(fā)區(qū)域。因此疲勞裂紋的產(chǎn)生、擴展以及壽命預測是鈦合金部件失效分析的重點[4]。鎳基合金具有良好的抗氧化性能和紅硬性，主要用于制造航空發(fā)動機的渦輪葉片、渦輪盤和燃燒室等，典型代表是Ni718合金。由于鎳基合金部件常常在高溫、高負荷條件下工作，承受離心載荷、熱載荷、氣動載荷、振動載荷及高溫氧化和燃氣腐蝕的復合作用，它的主要失效形式是蠕變和熱腐蝕[5]。超高強鋼是一種高強度、高韌性的合金鋼，通?？估瓘姸仍?500MPa以上，具有代表性的是300M超高強鋼，主要用于承受高應力的重要結(jié)構(gòu)部件，特別是起落架部件。超高強鋼雖然有很高的抗拉強度，但是介質(zhì)環(huán)境中容易發(fā)生應力腐蝕。超高強鋼應用的部件主要是起落架，而起落架部件工作溫差較大，內(nèi)部容易產(chǎn)生冷凝積水。超高強鋼在水介質(zhì)中的應力腐蝕是氫致開裂。鋼的強度越高，產(chǎn)生氫致開裂的傾向越大，所以應力腐蝕下的氫致開裂是超高強鋼最需要注意的失效形式[6]。民用航空制造中常用的先進復合材料以玻璃纖維和碳纖維樹脂基復合材料為代表。這種復合材料比強度、比模量高，抗疲勞性能與金屬材料相比幾乎高出一倍，已經(jīng)廣泛應用于機身蒙皮、尾翼、風扇葉片等部位，復合材料用量的多少代表了飛機制造的先進程度。復合材料的失效主要是由于飛鳥、砂石、冰雹等物體撞擊造成的層板分層、脫膠、纖維斷裂等缺陷，有些缺陷外部不易察覺，需要輔助相應的無損檢測設備進行分析[7]。

三、目前民用航空類院校失效分析課程存在的問題及解決方案

1.針對民用航空材料特殊環(huán)境下的失效分析進行重點講解

民用航空制造所需的材料有其特殊性，這些材料的使用環(huán)境也是特定的，所以民用航空材料的失效分析的側(cè)重點應該有別于一般材料。但是現(xiàn)在院校教學過程中所采用的教材都是針對通用材料失效分析的，這些教材主要以鋼鐵材料為主體，側(cè)重于講解靜載荷條件下鋼鐵材料的斷口特征，對于有色金屬、高溫合金等在腐蝕、疲勞、高溫等條件下的失效分析的講解都是非常簡略，然而對于民航航空材料的失效分析來講，后者反而是重點內(nèi)容。因此對于民用航空材料失效分析的課程應該對所用教材進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在讓學生掌握一般性失效機理的基礎上，重點講解民用航空材料特有的失效形式和機理。這就需要教師展開實際調(diào)研，了解航空材料在應用過程中的環(huán)境條件，概括航空材料在環(huán)境條件下的失效機理、失效形式，擴充教材內(nèi)容，增加有民用航空特色的知識。

2.針對樹脂基復合失效分析進行專題講解

為了減輕機身的重量，提高商業(yè)飛機的載客能力，現(xiàn)代民用飛機越來越多的使用復合材料。空客A380復合材料的用量達到30%，而波音787的復合材料用量更是達到了50%。復合材料已經(jīng)從原來的整流罩、蓋板等非承力、次承力部件向翼梁、隔框等主承力部件擴展，已經(jīng)成為現(xiàn)代民用航空制造中具有代表性的一種材料。但是對于復合材料的失效分析，目前院校的失效分析教材中涉及的內(nèi)容非常少。這就需要任課教師查閱復合材料失效近年來的研究成果，形成專題內(nèi)容，讓學生了解這種新材料在工程應用過程中的失效形式、失效原理以及失效分析方法。對于民用航空復合材料的失效分析，著重以下兩方面研究成果的匯總。一方面是復合材料在撞擊條件下分層、脫膠、斷裂等失效形式的機理研究；另外一方面是復合材料在濕熱、紫外照射等環(huán)境條件下性能衰退方面的機理研究。通過對復合材料失效的專題性講解，增加學生在先進材料失效分析方面的知識儲備，有助于其更快更好地從事今后的生產(chǎn)或科研工作。

3.針對民用航空工程材料的失效進行案例教學

對于民用航空材料失效分析的教學既需要科學、嚴謹?shù)睦碚摻虒W，也需要生動形象的實例教學，這樣有助于學生更好地了解民用航空材料失效分析的特殊性，也有助于學生了解失效分析的步驟和體系。民用航空材料失效分析的案例可以通過查閱近年來的適航當局咨詢通告和試驗分析報告進行歸納和總結(jié)。例如講到疲勞斷裂時可以借助于某飛機外翼下壁連接件疲勞斷裂失效分析進行實例教學。此連接件為Ti-6Al-4V合金，在工作過程中承受循環(huán)載荷，設計壽命為20萬循環(huán)以上，但是在使用過程中出現(xiàn)提前斷裂的現(xiàn)象。經(jīng)過失效分析發(fā)現(xiàn)，鈦合金連接件的斷口中疲勞區(qū)面積很小，大面積為靜拉伸的瞬斷區(qū)，這就說明了該部件承受的應力水平很高。通過金相分析發(fā)現(xiàn)，螺栓內(nèi)部存在制造過程中產(chǎn)生的微小裂紋，這些裂紋在高應力作用下迅速擴展，造成了鈦合金螺栓疲勞壽命下降。利用這樣一個實例，就把有色合金材料在循環(huán)載荷條件下失效分析所包含的力學分析、斷口分析、失效機理、壽命預測等知識點串聯(lián)了起來，讓原本抽象化的理論變得具象化，有助于學生的理解和掌握。

四、結(jié)束語

失效分析是為尋找產(chǎn)品的失效原因和預防措施所進行的一切技術活動，它針對失效的性質(zhì)、原因、解決和預防方法進行科學的研究，并從中找到規(guī)律性的認識。失效分析對于提升航空器的安全水平有著至關重要的作用，是航空類院校一門重要的課程。但是失效分析課程涉及到工程力學、材料學、測試技術等多領域的內(nèi)容，知識體系繁雜，民用航空類院校開設這門課程，必須依照航空材料特有的失效形式進行針對性的講解，在課程內(nèi)容安排、講授方法、實例及試驗教學上必須體現(xiàn)民用航空領域的特色。只有做到這一點，才能促進民用航空院校材料學科人才的培養(yǎng)水平，使民用航空類院校學生學有所專、學有所長。

[參考文獻]

[1]姬永興.失效分析與航空安全[A]，2006年全國失效分析與安全生產(chǎn)高級研討會論文集[C]，出版地：北京，中國工程機械學會，2006.

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[3]王志平，徐天杰，蘇景新.基于數(shù)據(jù)模型的某型民用飛機貨艙區(qū)域腐蝕影響因素研究[J].航空學報，2012，33（5）：940-948.

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[7]習年生，于志成，陶春虎.纖維增強復合材料的損傷特征及失效分析方法[J].航空材料學報，2000，20（2）：55-63.

（作者單位：中國民航大學 理學院 天津）