軟油箱襯盤斷裂分析

邊 飛 宋紅梅

（陜西飛機(jī)工業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 漢中 723215）

橡膠材料具有軟而韌的特點(diǎn)使其在密封、隔振、減振方面得到廣泛的應(yīng)用，目前飛機(jī)液壓、燃油等系統(tǒng)的密封基本上都采用橡膠密封件[1]。橡膠由于自身特性的限制，純橡膠基體的密封件常出現(xiàn)機(jī)械性破壞、老化、龜裂、化學(xué)浸蝕、局部燒蝕、局部碳化、表面磨損、扭曲變形等問題，導(dǎo)致密封件失效[2]。為了改善橡膠密封件在工程應(yīng)用中的失效問題，以金屬骨架為基體，在其周圍壓鑄一層橡膠而成的密封件應(yīng)運(yùn)而生。該類密封件已被廣泛用于飛機(jī)軟油箱襯盤處。

襯盤位于軟油箱之間的連接口處，其兩端由兩個法蘭盤固定。襯盤由內(nèi)部鋁合金骨架和外層包裹橡膠組成，鋁合金骨架的材料牌號為2A12-T351，橡膠的材料牌號為5871。某型飛機(jī)服役后，軟油箱的襯盤發(fā)生斷裂，對飛機(jī)的安全性能帶來極大的危害。本文通過斷口觀察分析、顯微組織檢驗(yàn)、化學(xué)成分分析及硬度檢驗(yàn)等方法探究襯盤的斷裂原因及機(jī)理，探尋改進(jìn)預(yù)防措施。

1 試驗(yàn)過程及結(jié)果

1.1 斷口宏觀觀察

襯盤斷口有外層的橡膠斷口和內(nèi)部的鋁合金骨架斷口兩個部分組成（圖1）。襯盤的斷裂位置在定位的盲孔位置，此處存在截面突變。橡膠斷口附近無發(fā)白、龜裂等現(xiàn)象。橡膠斷面十分平滑，分布許多粗大的放射棱線，棱線收斂的源區(qū)呈現(xiàn)多源特征。橡膠斷面的放射棱線收斂于橡膠的上表面，即為橡膠斷裂的源區(qū)在圖1 中的箭頭位置，橡膠斷裂的擴(kuò)展方向是由上而下。鋁合金斷口無鋁合金的白亮金屬光澤，呈灰白色。整個斷口表面較粗糙，邊緣無剪切唇，呈脆性斷口特征。在鋁合金盲孔左端斷面上有一條貫穿性的裂紋。

圖1 斷口宏觀形貌

1.2 斷口微觀觀察

橡膠斷口的源區(qū)形貌見圖2(a)。斷裂源見圖2(a)中箭頭所指，由源區(qū)向外有許多放射棱線，斷面光滑，未見材質(zhì)、工藝缺陷。橡膠源區(qū)微觀形貌呈直接加載下的韌性斷裂特征，在源區(qū)形成大約50 μm 寬線源，慢速擴(kuò)展階段形成的粗糙區(qū)見圖2(b)，快速擴(kuò)展階段形成的光滑區(qū)見圖2(c)，光滑區(qū)有放射棱線分布。

圖2 橡膠斷口微觀形貌

鋁合金斷口的微觀形貌顯示整個斷面結(jié)構(gòu)粗糙，呈現(xiàn)顆粒狀或“巖石狀”，斷口呈現(xiàn)沿晶斷裂特征。鋁合金斷口的斷口源區(qū)微觀形貌見圖3(a)所示。源區(qū)斷口呈現(xiàn)沿晶斷裂特征，斷面處有一條貫穿的裂紋。裂紋縫隙中有一層橡膠，裂紋的右端為鋁合金斷裂的起源處。鋁合金斷裂起源處沿晶分離面干凈、平滑、晶粒輪廓鮮明、無微觀塑性變形特征，為典型的沿晶脆性斷裂特征，端口的微觀形貌見圖3(b)所示。擴(kuò)展區(qū)的微觀形貌呈現(xiàn)沿晶韌性斷裂特征，沿晶的晶粒上有細(xì)小的方向向下的剪切韌窩見圖3(c)。

圖3 鋁合金斷口微觀形貌

1.3 顯微組織檢驗(yàn)

1.4 化學(xué)成分分析

通過對襯盤的鋁合金部分的化學(xué)成分分析，其結(jié)果（見表1）符合GB/T3190 標(biāo)準(zhǔn)值的要求。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

襯盤的鋁合金部分的顯微組織見圖4 所示。顯微組織觀察到晶界局部出現(xiàn)復(fù)熔加寬現(xiàn)象，存在復(fù)熔共晶球，在三個晶粒交界處出現(xiàn)三角形復(fù)熔區(qū)等特征。表明襯盤的鋁合金部分的顯微組織為過燒組織，顯微組織不合格。

圖4 襯盤的顯微組織

1.5 硬度檢驗(yàn)

對襯盤的橡膠部分進(jìn)行邵氏A 型硬度檢驗(yàn)，結(jié)果為66HA，符合65～75HA 的設(shè)計(jì)要求。

2 分析與討論

2.1 橡膠斷口的分析

襯盤的橡膠部件在截面突變的定位孔處斷裂，斷口比較光滑，放射棱線明顯，呈多源斷裂特征。斷口源區(qū)位于定位孔的上表面，斷裂可分為慢速擴(kuò)展和快速擴(kuò)展兩個階段，在慢速擴(kuò)展階段留下粗糙區(qū)，而在快速擴(kuò)展階段留下光滑區(qū)，斷面大部分是光滑區(qū)，這些現(xiàn)象表明該橡膠的斷裂性質(zhì)符合直接加載下的韌性斷裂特征。

非金屬件失效主要機(jī)理有老化失效和機(jī)械失效兩種，老化失效主要是由環(huán)境因素引起的失效，機(jī)械失效是受到機(jī)械力或偶然外力引起的失效[3]。襯盤的橡膠斷口宏觀分析可知，橡膠斷口無龜裂、發(fā)粘、變硬、變脆等老化現(xiàn)象，其邵氏A 型硬度檢驗(yàn)結(jié)果表明橡膠的硬度符合設(shè)計(jì)要求，不存在明顯的老化現(xiàn)象，因此橡膠斷裂不是橡膠老化引起的。

非金屬的機(jī)械失效模式通常有五類：(1) 直接加載下的斷裂；(2)蠕變斷裂；(3)疲勞斷裂；(4)環(huán)境應(yīng)力開裂；(5)磨損磨耗[4]。

橡膠斷口的宏微觀檢驗(yàn)均未發(fā)現(xiàn)疲勞條帶特征，所以疲勞斷裂的失效模式可以排除；斷口的宏微觀檢驗(yàn)均未發(fā)現(xiàn)“發(fā)白”或銀紋現(xiàn)象，所以蠕變斷裂的失效模式可以排除；橡膠斷口無腐蝕介質(zhì)環(huán)境和磨損特征，所以環(huán)境應(yīng)力開裂和磨損磨耗的失效模式可以均可排除；橡膠斷口的宏微觀檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)斷口有粗糙區(qū)、光滑區(qū)、大量放射棱線等特征，所以該橡膠的失效模式是直接加載下的斷裂。

直接加載下的斷裂可分為脆性斷裂和韌性斷裂兩大類。脆性斷裂通常在斷口處留下三個階段的斷裂擴(kuò)展區(qū)，依次是鏡面區(qū)、平坦區(qū)、粗糙區(qū)。韌性斷裂會在斷口上依次留下粗糙區(qū)、光滑區(qū)，符合該橡膠的斷口的微觀特征，所以該斷裂屬于韌性斷裂。由于橡膠在斷裂時，橡膠分子鏈或鏈?zhǔn)械谋∪觞c(diǎn)是隨機(jī)分布，在慢速擴(kuò)展階段，被拉斷留下斷面比較粗糙；而在快速擴(kuò)展階段，由于許多分子鏈被同時拉斷，因此留下斷面比較光滑[5]。

2.2 鋁合金斷口的分析

襯盤的鋁合金骨架在截面突變的定位孔處斷裂，斷口無塑性變形，斷面比較粗糙，整個斷面呈現(xiàn)沿晶斷裂特征。斷口源區(qū)位于定位孔的左端，源區(qū)沿晶分離面平滑、干凈、晶粒輪廓鮮明，為典型的沿晶脆性斷裂特征。擴(kuò)展區(qū)微觀形貌呈沿晶韌性斷裂特征，晶粒上有細(xì)小的方向向下的韌窩。因此，該鋁合金骨架的斷裂性質(zhì)是沿晶斷裂。

鋁合金化學(xué)成分分析結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求。鋁合金的顯微組織觀察到晶界局部復(fù)熔加寬，有復(fù)熔共晶球，在三個晶粒交界處出現(xiàn)三角形復(fù)熔等變形鋁合金的過燒特征，為過燒組織。晶界的鍵合力由于組織過燒被嚴(yán)重削弱，使得晶界成為斷裂擴(kuò)展優(yōu)先通道而發(fā)生沿晶斷裂[6]。正常的鋁合金組織晶界的強(qiáng)度要強(qiáng)于晶內(nèi)的強(qiáng)度，在受到破壞性的外力時首先在晶粒內(nèi)部形成裂紋，而不是在晶界形成原始裂紋，原始裂紋的聚集導(dǎo)致裂紋的擴(kuò)大，形成穿晶斷裂，典型特征為韌窩斷口特征。鋁合金組織過燒會導(dǎo)致晶界強(qiáng)度變?nèi)?，在受到破壞性的外力時，裂紋首先在晶界形成并沿著晶界擴(kuò)展，呈現(xiàn)出顆粒狀沿晶斷口特征。鋁合金的顯微組織過燒，其中的的晶界加寬、復(fù)熔共晶球和三角晶界等過燒組織會破壞組織的連續(xù)性，使得材料本身的韌性和強(qiáng)度顯著降低，使材料變得脆而易斷。

斷口出現(xiàn)沿晶斷裂特征通常是由于失效件材料存在過燒、應(yīng)力腐蝕、氫脆或回火脆[7]。鋁合金不存在氫脆或回火脆，所以可以排除這兩種因素；鋁合金應(yīng)力腐蝕斷口上會出現(xiàn)泥紋狀花樣且晶界面上覆蓋厚厚腐蝕產(chǎn)物[8]，該斷口微觀觀察未發(fā)現(xiàn)這些特征，所以可以排除應(yīng)力腐蝕因素；鋁合金顯微組織為過燒組織，微觀觀察發(fā)現(xiàn)斷口有過燒現(xiàn)象，組織過燒會使晶界強(qiáng)度變?nèi)?，所以鋁合金斷口出現(xiàn)沿晶斷裂特征的原因是鋁合金顯微組織過燒。

鋁合金斷口源區(qū)微觀圖片顯示一條貫穿裂紋中間夾雜著一層橡膠，說明該裂紋形成是在鋁合金骨架壓鑄橡膠之前，是一條原始裂紋。該裂紋位于鋁合金骨架定位孔邊沿，推測裂紋形成原因是原始鑄造缺陷或者鋁合金骨架加工過程中導(dǎo)致的。鋁合金的原始缺陷多出現(xiàn)在鑄鋁合金中，該鋁合金骨架為機(jī)加件，加工該零件的原材料為軋制鋁板，原始缺陷很少，且從圖3(a)中觀察裂紋附近組織發(fā)現(xiàn)不是原始缺陷。該裂紋只能是在鋁合金骨架加工過程中形成的，裂紋起源于鋁合金骨架的定位孔，因此裂紋是在加工定位孔時形成的。定位孔時鉆削加工而成的，正常的鋁合金組織具有較好的塑性，加工過程不會形成裂紋，如果鋁合金組織過燒就會變得很脆且塑性很差，容易在加工過程中形成裂紋，由此推斷該原始裂紋形成原因是組織過燒。鋁合金骨架定位孔左端存在原始裂紋缺陷，定位孔處存在截面突變加之鋁合金組織過燒導(dǎo)致材料強(qiáng)度和韌性變差，使該處成為鋁合金骨架最薄弱處，所以在受到破壞性的外力時首先在裂紋與定位孔交界處形成斷裂。

2.3 襯盤斷裂的分析

橡膠斷口和鋁合金斷口的斷裂擴(kuò)展方向都是由上而下的，說明襯盤的橡膠和鋁合金斷裂是受到相同方向的剪切外力形成的。橡膠斷裂性質(zhì)是直接加載下的韌性斷裂，說明襯盤在斷裂前受到較大的外力。橡膠具有較大的彈性變形能力，所以在受到較大外力時鋁合金骨架先于橡膠部分?jǐn)嗔?。襯盤的橡膠部件主要起密封作用，鋁合金骨架主要用于支撐和定位作用。失效件鋁合金組織過燒使材料強(qiáng)度變?nèi)跚掖?，喪失了原有的承載能力，且有原始裂紋缺陷存在，在受到破壞性外力時發(fā)生斷裂。因此，襯盤斷裂性質(zhì)是直接加載下的斷裂，斷裂原因是鋁合金骨架組織過燒。

3 結(jié)論

襯盤的斷裂性質(zhì)是直接加載下的過載斷裂，斷裂原因是鋁合金骨架的顯微組織為過燒組織。鋁合金骨架顯微組織過燒使鋁合金強(qiáng)度和韌性顯著下降，在定位孔加工過程中形成加工裂紋；鋁合金骨架組織過燒使承載外力的能力顯著下降，在受到破壞性外力時在原始裂紋缺陷和定位孔截面突變的最弱處發(fā)生斷裂。

為了防止襯盤斷裂，發(fā)生軟油箱漏油事故，提高飛機(jī)燃油系統(tǒng)的安全性，應(yīng)加強(qiáng)鋁合金熱處理工藝的控制，確保襯盤鋁合金顯微組織合格，同時要避免襯盤承受非必要的破壞性外力。