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飞机结构的应力腐蚀
发布时间:2020-03-25 02:32:32来源:网络浏览:47次

应力腐蚀

应力腐蚀是材料在化学侵蚀环境下与机械性拉伸应力同时作用下的结果。一般的腐蚀是以材料被剥蚀的型态出现,而应力腐蚀则以裂纹的型态出现,且表面几乎没有任何腐蚀物堆积的现象,因此很容易被忽略,形成潜伏的危险因素。造成应力腐蚀的四个基本条件是:敏感性合金(susceptible alloy)、侵蚀环境、施加或残余拉伸应力、以及时间。

应力腐蚀广见于多种材料及环境中,根据统计,应力腐蚀损坏常出现于低合金钢(low alloy steel)、锆(zirconium)、黄铜(brass)、镁(magnesium)及铝合金。这些材料应力腐蚀损坏的外表及行为都不相同,不过一般而言都具有一些共同的特性:

1.大部分破断面在巨观下是脆性(brittle)带有少量的韧性撕裂(ductile tearing)现象,有些材料的破坏模式会介于韧性和脆性之间。

2.一定是拉伸应力(tensile stress)和环境同时作用的结果,轮流作用不会产生应力腐蚀,且应力大小没有绝对的关系。应力大,环境的因素就比较小;应力小,环境的因素就比较大。

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3.材料表面的氧化膜受到机械或化学外力的破坏形成小凹洼(pit),应力腐蚀初始裂纹(initial crack)就由小凹洼的根部开始成长,这段期间应力的影响很小,腐蚀是主要的原动力(driving force),裂纹方向和主应力(principal stress)方向一致,与一般疲劳裂纹和主应力方向垂直的情况大不相同。

4.裂纹走向会在沿着晶粒边界(intergranular)或穿透晶粒(transgranular)中二选一,全看材料、环境、应力大小这三者的组合而定。在不锈钢材里,裂纹通常会穿透晶粒,且会造成一特别的晶体面(crystallographic),但在某些介质中,特别是腐蚀性溶液或是高氧化物漂白剂中,裂纹会沿着晶粒边界。在高强度合金钢中,裂纹会沿着晶粒边界;铝合金基本上亦是如此。

5.裂纹成长的过程本身就有自我催化(self-catalyzing)的作用,正在成长中的裂纹尖端局部之成长速率至少为疲劳裂纹的百倍以上,所以一旦发现应力腐蚀裂纹后就得尽快处置。

6.形成裂纹需特定的合金和环境,虽然许多环境都能产生相近的腐蚀生长速率,但不同的合金对应力腐蚀的敏感度差异甚大。

应力腐蚀裂纹必需在腐蚀表面上有拉伸应力,此拉伸应力可以是外加,也可以是残余应力(residual stress),其中残余应力更是问题的所在,因为它是隐藏的,在设计时常会被忽略。残余应力的来源可能来自制造过程,如:冷加工时变形不均匀、热处理后退火冷却速率不同;或是来自装配时的紧配(interference fit),铆钉、螺栓变形……等。

1970年前后进入美国空军服役的F-5型战斗机,因前机身上纵梁使用材料为对应力腐蚀甚为敏感的7075-T6铝合金,致在服役相当时间后发生了应力腐蚀裂纹,美国空军不得不在1990年代中期进行全机队结构返厂修改,更换改变热处理而提升抗腐蚀能力的7075-T73新制上纵梁。

航空史上著名的应力腐蚀裂纹飞行安全事件,是发生于1988年4月28日的美国阿啰哈(Aloha)航空公司,一架波音737-200机身前段大片上蒙皮于飞行途中脱落,幸赖驾驶员的技术高超而平安落地。飞机失事前,已累积了35,496飞行小时,89,680次起降,是此型飞机全世界起降次数排名第二的飞机,(第一名是阿航的N73712)。

由于经济因素的考虑,军用飞机延长服役年限是一个不可避免的趋势,而如何维持这些老旧飞机的飞行安全,则是一个严肃的课题。由于老旧飞机都已经过长时间的服役生涯,影响其飞行安全的Zui因素自然来自疲劳与腐蚀。疲劳是外力长期作用下的结果,因此当飞机服役时间越久,就越容易受到它的影响;而由于材料的天性,腐蚀终究是个无法避免的过程,美国空军在2005年修订的飞机结构刚性计划需求中,因此新增了对腐蚀的预防、控制、评估工作项目,可见在最近的未来,腐蚀应该还是会继续困扰着飞机结构。

要维持军用飞机延长服役期间的飞行安全,在经费考虑下,一般采取的方式是对容易发生疲劳裂纹的位置执行定期检查。旧式军用飞机的结构安排简单、宽松,少有无法进手检查的区域,纵然有疲劳或腐蚀,经由择要检修(Inspection and Repair As Necessary,IRAN)后很容易发现并排除,因此不至于对机队安全造成困扰;现代军用飞机结构复杂,装备安排非常紧密,在提升维修效率的考虑下,择要检修也逐渐被机队管理所取代,依单机追踪Individual Aircraft Tracking,IAT)分析结果决定定期检查的位置与检查时距(Inspection Interval),如果某些重要结构件因此完全没有检查,就会有潜在飞行安全风险,美国空军F-15C事件是最好的教训。

现行理想方式是在机上安装传感器,即时探测并回报机上发生的疲劳与腐蚀损伤,老飞机的结构安全将更有保障。只是目前的传感器仅能追踪疲劳及异电位腐蚀损伤,且飞机会延长使用年限通常是因为经费拮据,这种方式与节省经费的初衷背道而驰,要获得实行并不容易。

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