XXX-1型氧氣面罩檢測裝置門組件失效分析

陳佳

摘 要：XXX-1型氧氣面罩檢測裝置中的5件門組件和1件鎖舌在外場使用過程中發(fā)生斷裂，須進行失效分析。本試驗利用體視顯微鏡、掃描電鏡對裂紋形態(tài)及斷口表面進行觀察，對組件進行金相組織檢查、硬度檢查，對其組成成分進行紅外光譜、能譜分析。結果表明：5件門組件安裝孔附近材料斷裂模式均為脆性斷裂，斷裂原因應與安裝孔壁受到螺套應力作用有關;圓孔（門組件邊緣）附近材料斷裂模式為塑性斷裂;門組件雙耳卡附近材料斷裂模式為疲勞斷裂;鎖舌中部變截面附近材料斷裂模式為脆性斷裂。產品發(fā)生脆性斷裂原因應與產品長時間在高溫環(huán)境下使用，發(fā)生一定的老化變脆有關。

關鍵詞：PC塑料;塑性斷裂;脆性斷裂;疲勞斷裂;老化

中圖分類號：V244.2;TB301 ? 文獻標志碼：A 文章編號：1003-5168（2022）6-0045-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.06.010

A Failure Analysis About the Detection Equipment Door Assembly of XXX-1 Oxygen Mask

CHEN Jia

（AVIC Aerospace Life-Support Industries，Ltd.， Xiangyang 441003，China）

Abstract： Ffive door components and one lock tongue in XXX-1 oxygen mask detection device are broken during field use， so failure analysis is required. In this test， the crack morphology and fracture surface were observed by stereomicroscope and scanning electron microscope， the metallographic structure and hardness of the components were examined， and the components were analyzed by infrared spectrum and energy spectrum. The results show that the fracture modes of the materials near the mounting holes of the five door assemblies are brittle fracture， and the fracture reason should be related to the stress of the screw sleeve on the wall of the mounting hole. The fracture mode of the material near the round hole （the edge of the door assembly） is plastic fracture. The fracture mode of the material near the double ear clamp of the door assembly is fatigue fracture. The fracture mode of the material near the variable section in the middle of the lock tongue is brittle fracture. The reason of brittle fracture of the product should be related to the aging and embrittlement of the product after being used in high temperature environment for a long time.

Keywords： PC plastic; plastic fracture; brittle fracture; fatigue fracture; ageing

0 引言

氧氣面罩檢測設備用于檢查軍用或民用飛機的配套供養(yǎng)系統(tǒng)及其部件性能的測試設備。XXX-1型氧氣面罩檢測裝置是為某型氧氣系統(tǒng)配套的設備，其主體結構為一個薄壁殼體，兩件左右對稱的門組件通過螺釘+螺套+螺紋鎖固劑與殼體相連接，殼體內部放置飛行員氧氣面罩，結構見圖1。地勤維護人員可通過門組件之間的空隙直接將氧氣面罩快速取出，門組件關閉狀態(tài)及打開狀態(tài)見圖2。鎖舌為安置于氧氣面罩檢測裝置內部的異形件，通過鎖舌開閉可控制氧氣面罩檢測裝置供氧系統(tǒng)。通過鎖舌結構可以看到，在外部向鎖舌施加正向壓力難以驅動鎖舌動作，必須施加斜向45°壓力才能有效控制系統(tǒng)開閉，見圖3。

門組件和鎖舌所用材料均為PC塑料，輔以阻燃劑（質量分數(shù)為1%以上），并配以螯合劑等組成。該材料屬于系列材料，配方可以根據(jù)用戶產品做調整，性能上存在差異。本次失效裝置均位于駕駛機艙中，飛機在停機坪區(qū)域時，機艙內溫度約為70 ℃。檢測裝置正常裝機使用，使用時間約為3 a。飛機進行返廠維護時，發(fā)現(xiàn)多件檢測裝置多處位置出現(xiàn)斷裂或開裂，此次試驗以5件存在斷裂或開裂現(xiàn)象的門組件以及1件發(fā)生斷裂的鎖舌進行失效分析。

1 試驗過程與結果

1.1 外觀觀察

將6件產品編號分別為2-1#、2-2#、3#、4#、5#及6#，其中2-1#、2-2#、3#、4#及6#為門組件，5#為鎖舌。分別對6件產品的斷裂或開裂位置以及斷裂程度進行觀察與統(tǒng)計，結果見表1。

1.1.1 門組件觀察與分析。門組件和2-2#斷裂或開裂宏觀形貌見圖4，門組件2-1#斷裂或開裂位置主要位于安裝孔附近，左側安裝孔斷裂程度較為嚴重，僅殘余安裝孔根部斷口;右側安裝孔開裂程度較輕，可見安裝孔外表面存在多條裂紋，裂紋沿徑向深度最大約為0.8 mm，軸向長度最大約為6 mm。此外，安裝孔外表面周向裂紋大致位于安裝孔中部變截面位置，最大長度約為4 mm。將其斷口置于掃描電鏡下進行微觀形貌觀察，各處斷口形貌均較為相似：整個斷口呈脆性特征，斷面上可見河流花樣，未見明顯材料缺陷，見圖5。上述微觀特征表明2-1#產品的斷裂模式為脆性斷裂。

與2-1#產品相比，2-2#產品安裝孔附近結構較為完整，未見明顯材料缺失。其中，左側安裝孔開裂程度較輕，安裝孔上表面及外表面裂紋較淺。右側安裝孔開裂程度較為嚴重，右側安裝孔外表面存在多條沿徑向已裂透壁厚的裂紋，裂紋軸向長度最大約為6 mm。此外，右側安裝孔外表面周向裂紋位于安裝孔中部變截面處，最大長度約為7 mm，同樣已裂透壁厚。2-2#產品右側安裝孔開裂形貌較為典型，采用機械手段將安裝孔裂紋打開并置于掃描電鏡下進行觀察，微觀形貌見圖6，安裝孔軸向裂紋斷面較為粗糙，斷面上可見明顯的擴展棱線（河流花樣）;周向裂紋斷面可見“人字紋”形貌，呈現(xiàn)脆性斷裂特征，綜合微觀形貌分析，安裝孔斷裂模式為脆性斷裂[1]。

從2-2#產品裂紋開裂形態(tài)判斷，其開裂原因應與2-1#產品開裂原因相似。在門組件使用過程中，安裝孔內壁受到固定在殼體上的螺套的應力作用，導致安裝孔壁發(fā)生軸向開裂，隨后在安裝孔中部變截面處發(fā)生周向擴展。

1.1.2 鎖舌觀察與分析。5#產品斷裂宏觀斷口形貌見圖7（a），其斷裂位置位于鎖舌中部變截面處。將斷裂鎖舌置于體視顯微鏡下進行觀察，表面存在多處機械損傷和塑性變形痕跡，通過痕跡形態(tài)分析，應是與邊緣較為尖銳的硬物相互接觸、磕碰所致。鎖舌斷口整體較為平坦，未見明顯宏觀材料缺陷，斷口可見明顯的呈發(fā)散狀的擴展棱線（河流花樣）。將斷口置于掃描電鏡下進行觀察，源區(qū)位于鎖舌次表面，較為平坦，擴展區(qū)較為粗糙，可見較多擴展棱線，見圖7（b）。整個斷面呈現(xiàn)脆性斷裂特征，綜合鎖舌的使用工況進行分析，鎖舌斷裂原因應為使用過程中鎖舌中部變截面受到較大載荷作用發(fā)生斷裂[2]。

1.2 紅外成分分析

對6件失效產品進行紅外成分分析，紅外分析結果表明，6件產品材料均為聚碳酸酯。一般而言，1 750 cm-1附近峰值越低，表明材料越脆，老化程度越嚴重。從紅外光譜圖的峰值對比結果來看，2-2#產品脆性最小，該結果與產品斷裂程度觀察結果相符。

1.3 硬度測試

對6件產品進行邵氏硬度測試，結果見表1（非標測試，結果僅供對比和參考）。從表1中可以看到，2-1#、3#、4#以及6#產品邵氏硬度相近，約為71～72，2-2#及5#產品邵氏硬度相近，約為74～76。

2 分析討論

XXX-1型氧氣面罩檢測裝置在飛機進行返廠維護時，發(fā)現(xiàn)多件產品在多處位置出現(xiàn)斷裂或開裂，對斷裂或開裂位置進行統(tǒng)計，主要包括四類：①門組件安裝孔附近出現(xiàn)斷裂或開裂，包括2-1#、2-2#、3#、4#及6#，其斷裂缺損嚴重程度4#>6#>2-1#>3#>2-2#;②門組件雙耳卡附近出現(xiàn)斷裂或開裂，包括6#及3#，其中6#產品雙耳卡發(fā)生斷裂，3#產品雙耳卡附近發(fā)生輕微開裂;③3#產品門組件邊緣圓孔附近發(fā)生開裂;④5#產品鎖舌中部變截面處發(fā)生斷裂。將門組件與鎖舌分析結果進行匯總，見表3。

紅外分析結果表明，6件產品所用材料均為聚碳酸酯，且4#產品材料在1 750 cm-1附近峰值最低，2-2#產品材料在1 750 cm-1附近峰值最高，該結果與產品宏觀斷裂程度觀察結果相符。從6件產品分析結果來看，門組件安裝孔附近的斷裂或開裂原因應與產品長時間在高溫環(huán)境下使用，發(fā)生老化變脆有關。邵氏硬度分析結果表明，2-1#、3#、4#以及6#產品邵氏硬度相近，約為71～72，2-2#及5#產品邵氏硬度相近，約為74～76。

綜合上述分析結果，認為5件門組件安裝孔附近材料斷裂模式為脆性斷裂，斷裂原因應與產品使用過程中安裝孔壁受到螺套應力或沖擊載荷作用發(fā)生開裂有關。1件門組件邊緣圓孔附近材料斷裂模式為塑性斷裂，斷裂原因應為在使用過程中受到較大應力作用，導致門組件發(fā)生斷裂[3]。1件門組件雙耳卡附近材料斷裂模式為疲勞斷裂，斷裂原因應與門組件多次開合使用工況有關，疲勞開裂對其表面加工質量也非常敏感，尤其是出現(xiàn)與最大應力方向垂直的加工刀痕[4-5]。鎖舌中部變截面附近材料斷裂模式為脆性斷裂，斷裂原因應為使用過程中鎖舌中部變截面受到較大載荷作用發(fā)生斷裂。上述門組件產品老化變脆程度與門組件宏觀斷裂缺損程度存在正相關關系，推測門組件安裝孔附近的斷裂原因應與產品長時間在高溫環(huán)境下使用，發(fā)生老化變脆有關。

3 結語

通過對XXX-1型氧氣面罩檢測裝置門組件與鎖舌的觀察與分析認為，5件門組件安裝孔附近材料斷裂模式均為脆性斷裂，斷裂原因應與安裝孔壁受到螺套應力作用有關;圓孔（門組件邊緣）附近材料斷裂模式為塑性斷裂;門組件雙耳卡附近材料斷裂模式為疲勞斷裂;鎖舌中部變截面附近材料斷裂模式為脆性斷裂;產品發(fā)生脆性斷裂原因應與產品長時間在高溫環(huán)境下使用，發(fā)生一定的老化變脆有關。

參考文獻：

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