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浅析飞机的应力腐蚀 日期：08-04-18 10:38:57 作者：贾玉亭 南航汕头维修厂 （本网通讯员贾高其报道）飞机的应力腐蚀是指构件在拉伸应力和腐蚀环境共同作用下引起的破坏。两者缺一不可，互相促进，但不同简单的加合，应力腐蚀是危害最大的腐蚀之一，是一种灾难性的腐蚀，不仅会造成直接或间接的经济损失，而且会造成重大的飞行事故。1985年8月12日一架波音747客机，因应力腐蚀断裂而坠毁，死亡500多人；2002年5月华航空难造成225人死亡原因也是飞机尾部有裂纹引起。 应力腐蚀是一种较常见的局部腐蚀。产生这类腐蚀须同时具备几个条件，即特定环境（包括介质成分、浓度、杂质和温度），足够大的拉伸应力（超过某极限值），特定的合金成分和组织（包括晶粒大小、晶粒取向、形态、相结构、各类缺陷、加工状态等），才能产生应力腐蚀断裂。也就是说，应力腐蚀是与环境因素、力学因素和冶金因素密切相关的。应力腐蚀断裂具有高度的选择性，在使用环境中没有敏感性的合金，即使有拉伸应力的作用也不会产生应力腐蚀断裂。拉伸应力可能有以下几个来源：1合金零件、部件、构件在冷加工、锻造、焊接、热处理、装配过程中产生的残余应力，据报导，由于残余应力造成的腐蚀断裂故障占应力腐蚀断裂总数的40%；2工作时产生的外应力和使用中的载荷等；3由于腐蚀产物的体积效应（腐蚀产物亽体积往往大于其金属的体积）而造成的不均匀应力。 环境因素，尤其是腐蚀介质，对产生应力腐蚀断裂十分重要，只有在一定合金和一定环境的组合情况下才能发生此类腐蚀断裂。例如，众所周知的黄铜遇到少量氨气或氨液会产生断裂，不锈钢在含C1-的介质中，碳钢在含OH-的溶液中，都有应力腐蚀的危险。华航客机在尾部出现裂纹后没用铝材料修补而采用不锈钢，是造成空难的主要原因。 温度的影响，一般来说，温度升高，易发生应力腐蚀断裂。但温度过高，由于全面腐蚀的进行，却抑制了应力腐蚀断裂。此外，对某些体系来说，存在一个临界断裂温度，即在次温度下应力腐蚀断裂最敏感。 容易发生应力腐蚀断裂的区域（1） 厨房和厕所下面的区域，湿气在有地板梁的上缘条上聚集的趋势，这就使得更旧的飞机更容易出现腐蚀；（2） 机身顶部，由于冷凝水在机身上部结构聚集，加上受到拉伸应力的作用，更容易产生应力腐蚀断裂；（3） 机身下半部，机身下半部结构中在门入口、厨房和货舱门附近区域特别容易出现腐蚀；（4） 框架、桁条、止裂带也时常出现。（5） 粘接的结构机身蒙皮，人们发现在应力和湿气的情况下，热粘接（250华氏度）起来的结构有分层的趋势：蒙皮的鼓包、变形或丢失的紧固件头部，容易出现蒙皮裂纹。（6） 压力隔框，通常出现在隔框上位置最低的地方，特别是排水设备不够或没被维护过的地方。（7） 大翼和安定面梁，裂纹曾出现在梁的各种不同位置，而这些位置的腐蚀却非常难予探测、去除和修理。如，在上蒙皮或下蒙皮和梁缘条的水平片之间；在腹板和梁缘条的垂直片之间；在梁下缘条的水平片的上表面上，有聚水构造的地方；缘条上紧固件孔之间。（8） 大翼中段、主起落架上面的承压舱板，大翼中段的上表面，以及冲压空气整流腔的下蒙皮的下表面，很容易出现腐蚀。在我们某几个型号的飞机上，主轮舱前段上部的倾斜的承压舱板与大翼中段的后梁相接，这就构成了潜在的聚水构造。（9） 特别明显的例子是货舱门平衡弹簧的应力腐蚀断裂。 应力腐蚀断裂的特征，可简要归纳为如下几点： 1. 金属在无裂纹、无腐蚀或缺陷的情况下，应力腐蚀断裂过程可分为三个阶段。萌生阶段，即由于腐蚀引起裂纹或蚀坑的阶段。也就是说，是导致应力集中的裂纹源的生核孕育阶段，所以也可把相应的这一段时间称作孕育期（诱导期）。接着为裂纹扩展阶段，即有裂纹源或蚀坑至达到极限应力值（单位面积所能承受最大载荷）为止的这一阶段。最后是失稳断裂阶段。前一阶段受应力影响很小，时间长，约占断裂总时间90%，后两阶段时间短，为总断裂时间的10%。在有裂纹的情况下，应力腐蚀断裂过程只有裂纹扩展和失稳快速断裂两个阶段。由此可见，应力腐蚀断裂可能在很短时间内发生，但也可能几年后才发生。2. 金属和合金腐蚀量很微小，腐蚀局限于微小的局部。同时产生应力腐蚀断裂的合金表面往往存在钝化膜或保护膜。3. 裂纹方向宏观上和主拉伸应力的方向垂直，微观上略有偏移。4. 宏观上属于脆性断裂，即使塑性很高的材料也是如此。微观上，在断裂面上仍有塑性流变痕迹。5. 有裂纹分叉现象。断口形貌呈海滩条纹、羽毛状、撕裂状、扇子形和冰糖块状图象。6. 应力腐蚀裂纹形态有沿晶型、穿晶型和混合型，由具体合金一环境体系而定。例如，铝合金、高强度钢多半是沿晶型的；奥氏体不锈钢多半是穿晶型；而钛合金为混合型。即使是同种合金，随着环境、应力大小的改变、裂纹形态也会随之改变。 应力腐蚀断裂机理 应力腐蚀断裂是一个非常复杂的问题。影响因素众多，关于它的机理迄今还没有统一而完整的说法，不但对不同腐蚀体系观点不同，就是对同一体系见解也不一致。目前提得较多是阳极溶解理论，膜破裂理论。阳极溶解理论认为在已存在阳极溶解的活化通道上，腐蚀沿这些途径优先进行，而应力有使之张开，协同地加速金属的破坏。假如金属表面已形成裂纹或蚀坑，则裂纹或蚀坑内部便出现闭塞电池而使腐蚀加速，并且裂纹内部（小阳极）与金属表面（大阴极）构成了浓差电池。这样就促进裂纹尖端的快速阳极溶解。这个氧浓差电池传递着活性隐离子（如C1-）进入裂纹内部，因而使裂纹内形成了一种浓缩的电解质溶液，且由于水解而被酸化。这种闭塞电池作用，也是一个自催化的腐蚀过程，在应力作用下使用裂纹不断地扩展，直至破裂。吸附理论，Unlig提出应力吸附断裂理论认为应力腐蚀断裂一般并不是由金属的电化学溶解所引起，而是由环境中某些侵蚀性物质对表面的吸附，使金属原子间的结合力削弱，在拉应力作用下引起断裂。这是一种主要以机械方式导致应力腐蚀断裂的理论。这一理论用离子的特性吸附来解释应力腐蚀断裂的离子选择性问题，但是对有些现象仍未得到完满解释，如碳钢为什么只能（或优先）吸附NO-3，离子而不是C1-离子；奥氏体不锈钢则只能吸附C1-离子而非NO-3离子等等。此外，对为何存在潜伏期？裂纹的发生和发展有何区别等应力腐蚀问题也未能得到解释。 应力腐蚀断裂的预防和控制 应力腐蚀虽然危害比较大，但它可以采取措施有效的控制和预防。腐蚀与防护控制方案（CPCP）就是告诉使用者，当飞机的安全性受到威胁时如何防止腐蚀。对于在美国注册的飞机，该方案是FAA所要求的。该方案也被其他许多国家所采用，它决定于当地的规章。当一个部件受到腐蚀，加上该区域的应力集中，就很可能形成疲劳裂纹，一旦裂纹开始，我们就要开始关注部件的损伤容限，损伤容限有赖与裂纹件还剩余多少强度（剩余强度）。裂纹在腐蚀件上的生长比在非腐蚀损伤件上快得多。腐蚀与疲劳的交互作用，对老龄飞机的危害比预期的更高，这就是必须使用CPCP的原因。CPCP仅适用于飞机上特定的部件，主要是指重要结构元件或飞机适航要求的部件。这些部件主要包括：大翼翼梁，翼肋和蒙皮；机身框架，桁条及蒙皮；垂直及水平安定面连接组件。实施腐蚀与防护控制方案有助于部件的腐蚀与防护，和纠正现有的应力腐蚀问题。由于应力腐蚀涉及到环境、应力和材料三方面，因此应从这三方面入手，采取相应的对策。1. 降低或消除应力（1） 改进结构设计，避免或减少局部应力集中。应力腐蚀事故分析表明，由残余应力引起的比例最大。因此在加工、制造、装配中应尽量避免产生较大的残余应力。结构设计应尽量避免缝隙和可能造成腐蚀液残留的死角，防止有害物质（如C1-，OH-）的浓缩。（2） 消除应力处理：减少残余应力可采取热处理退火、过变型法、喷丸处理等。其中消除应力退火是减少残余应力的最重要手段，特别是对焊接件，退火处理尤为重要。2 控制环境（1） 加入缓蚀剂；每种材料环境体系都有某些能抑制或减缓应力腐蚀的物质，这些物质由于改变电位、促进成膜、阻止氢的侵入或有害物质的吸附、影响电化学反应动力学等原因而起到缓蚀作用，因而可防止或减缓应力腐蚀。（2） 保护涂层：使用有机涂层可使材料表面与环境隔离，或使用对环境不敏感的金属作为敏感材料的镀层，读可减少材料的应力腐蚀敏感性。（3） 电化学保护：由于应里腐蚀发生在三个敏感的电位区间，理论上可通过控制电位进行阴极或阳极保护，防止应力腐蚀。但对不同体系要具体分析，分别对待。3 改善材质（1） 开发耐应力腐蚀的新材料。 在我们日常的维护工作，当我们发