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飛機結構的應力腐蝕
發布時間:2020-03-25 02:32:32來源:網絡瀏覽:177次

應力腐蝕

應力腐蝕是材料在化學侵蝕環境下與機械性拉伸應力同時作用下的結果。一般的腐蝕是以材料被剝蝕的型態出現,而應力腐蝕則以裂紋的型態出現,且表面幾乎沒有任何腐蝕物堆積的現象,因此很容易被忽略,形成潛伏的危險因素。造成應力腐蝕的四個基本條件是:敏感性合金(susceptible alloy)、侵蝕環境、施加或殘余拉伸應力、以及時間。

應力腐蝕廣見于多種材料及環境中,根據統計,應力腐蝕損壞常出現于低合金鋼(low alloy steel)、鋯(zirconium)、黃銅(brass)、鎂(magnesium)及鋁合金。這些材料應力腐蝕損壞的外表及行為都不相同,不過一般而言都具有一些共同的特性:

1.大部分破斷面在巨觀下是脆性(brittle)帶有少量的韌性撕裂(ductile tearing)現象,有些材料的破壞模式會介于韌性和脆性之間。

2.一定是拉伸應力(tensile stress)和環境同時作用的結果,輪流作用不會產生應力腐蝕,且應力大小沒有絕對的關系。應力大,環境的因素就比較小;應力小,環境的因素就比較大。

X射線應力分析儀實時檢測應力變化.

3.材料表面的氧化膜受到機械或化學外力的破壞形成小凹洼(pit),應力腐蝕初始裂紋(initial crack)就由小凹洼的根部開始成長,這段期間應力的影響很小,腐蝕是主要的原動力(driving force),裂紋方向和主應力(principal stress)方向一致,與一般疲勞裂紋和主應力方向垂直的情況大不相同。

4.裂紋走向會在沿著晶粒邊界(intergranular)或穿透晶粒(transgranular)中二選一,全看材料、環境、應力大小這三者的組合而定。在不銹鋼材里,裂紋通常會穿透晶粒,且會造成一特別的晶體面(crystallographic),但在某些介質中,特別是腐蝕性溶液或是高氧化物漂白劑中,裂紋會沿著晶粒邊界。在高強度合金鋼中,裂紋會沿著晶粒邊界;鋁合金基本上亦是如此。

5.裂紋成長的過程本身就有自我催化(self-catalyzing)的作用,正在成長中的裂紋尖端局部之成長速率至少為疲勞裂紋的百倍以上,所以一旦發現應力腐蝕裂紋后就得盡快處置。

6.形成裂紋需特定的合金和環境,雖然許多環境都能產生相近的腐蝕生長速率,但不同的合金對應力腐蝕的敏感度差異甚大。

應力腐蝕裂紋必需在腐蝕表面上有拉伸應力,此拉伸應力可以是外加,也可以是殘余應力(residual stress),其中殘余應力更是問題的所在,因為它是隱藏的,在設計時常會被忽略。殘余應力的來源可能來自制造過程,如:冷加工時變形不均勻、熱處理后退火冷卻速率不同;或是來自裝配時的緊配(interference fit),鉚釘、螺栓變形……等。

1970年前后進入美國空軍服役的F-5型戰斗機,因前機身上縱梁使用材料為對應力腐蝕甚為敏感的7075-T6鋁合金,致在服役相當時間后發生了應力腐蝕裂紋,美國空軍不得不在1990年代中期進行全機隊結構返廠修改,更換改變熱處理而提升抗腐蝕能力的7075-T73新制上縱梁。

航空史上著名的應力腐蝕裂紋飛行安全事件,是發生于1988年4月28日的美國阿啰哈(Aloha)航空公司,一架波音737-200機身前段大片上蒙皮于飛行途中脫落,幸賴駕駛員的技術高超而平安落地。飛機失事前,已累積了35,496飛行小時,89,680次起降,是此型飛機全世界起降次數排名第二的飛機,(第一名是阿航的N73712)。

由于經濟因素的考慮,軍用飛機延長服役年限是一個不可避免的趨勢,而如何維持這些老舊飛機的飛行安全,則是一個嚴肅的課題。由于老舊飛機都已經過長時間的服役生涯,影響其飛行安全的Zui因素自然來自疲勞與腐蝕。疲勞是外力長期作用下的結果,因此當飛機服役時間越久,就越容易受到它的影響;而由于材料的天性,腐蝕終究是個無法避免的過程,美國空軍在2005年修訂的飛機結構剛性計劃需求中,因此新增了對腐蝕的預防、控制、評估工作項目,可見在最近的未來,腐蝕應該還是會繼續困擾著飛機結構。

要維持軍用飛機延長服役期間的飛行安全,在經費考慮下,一般采取的方式是對容易發生疲勞裂紋的位置執行定期檢查。舊式軍用飛機的結構安排簡單、寬松,少有無法進手檢查的區域,縱然有疲勞或腐蝕,經由擇要檢修(Inspection and Repair As Necessary,IRAN)后很容易發現并排除,因此不至于對機隊安全造成困擾;現代軍用飛機結構復雜,裝備安排非常緊密,在提升維修效率的考慮下,擇要檢修也逐漸被機隊管理所取代,依單機追蹤Individual Aircraft Tracking,IAT)分析結果決定定期檢查的位置與檢查時距(Inspection Interval),如果某些重要結構件因此完全沒有檢查,就會有潛在飛行安全風險,美國空軍F-15C事件是最好的教訓。

現行理想方式是在機上安裝傳感器,即時探測并回報機上發生的疲勞與腐蝕損傷,老飛機的結構安全將更有保障。只是目前的傳感器僅能追蹤疲勞及異電位腐蝕損傷,且飛機會延長使用年限通常是因為經費拮據,這種方式與節省經費的初衷背道而馳,要獲得實行并不容易。

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