SAE标准中管路件S-N曲线弯曲疲劳试验研究及应用

吴子龙 文 放 焦志强 郑朔昉

（中航工业综合技术研究所，北京 100028）

管路系统在飞机飞行期间，除了受到内部介质压力的作用外，还会受到因飞机结构的弹性变形，以及因高低空的温度变化所导致的各种不同形式外力的影响，其中最危险的外力是在导管连接处的径向弯曲载荷。为保证系统在飞机整个服务期内的安全，导管及其连接件必须能够承受这些形式的外力变化，即管路件的弯曲疲劳强度要求。

弯曲疲劳强度考核常用的方法是S-N曲线弯曲疲劳试验，国外管路件S-N曲线弯曲疲劳试验体系及相关标准已比较完善，而国内S-N曲线弯曲疲劳试验刚起步，试验方法和评价标准等方面尚不健全，本文通过对国外管路件S-N曲线弯曲疲劳试验相关标准研究的基础上，对国内S-N曲线弯曲疲劳试验体系及标准体系的完善提供了若干参考建议，并对典型钛合金管路件做了失效分析。

对于航空管路件弯曲疲劳强度的要求，不同国家的标准有不同的规定。欧美及国际标准化组织的规范规定，在导管中充以工作压力，导管上距离连接件（管套或平管嘴）5 mm处测得的导管最大应力等于±σb/4（σb为导管抗拉强度）的条件下，导管应能通过107次应力循环。试验可以采用3种不同的方法进行：一种是悬臂梁式振动试验，一种是简支梁式振动试验，第3种是S-N曲线弯曲疲劳试验。

这3种试验方案在国内都有所使用，其中悬臂梁式的振动试验和S-N曲线弯曲疲劳试验都比较准确，而简支梁式振动试验由于加压用软管的重量影响难以消除且不确定，所以试验结果说服力相对不强，经过某些加权处理后的试验结果同标准规定的值比较接近。

在悬臂梁式的振动试验和S-N曲线弯曲疲劳试验中，悬壁梁式的试验方法需要振动试验台，并且要非常准确地调整配重，否则就无法对多根试件同时试验，S-N曲线弯曲疲劳试验则没有此问题，可以同时对多根试件进行试验，而且所需试验设备的成本也远低于振动试验台，因此，美国的技术人员一直主张采用S-N曲线弯曲疲劳试验方法来检验导管连接件的抗弯曲疲劳性能。

1 S-N曲线弯曲疲劳试验

1.1 试验方法

S-N曲线弯曲疲劳试验的关键在于对疲劳应力的选择，弯曲疲劳的总应力Sf包含内部油压产生的应力Sp，以及外部施加的弯曲应力S，即Sf=S+Sp。

S-N曲线弯曲疲劳试验方法简述：如图1所示，将试验件一端安装可拆卸管接头后拧紧固定至试验台尾座，与尾座的液压接头相连通；将另一端用变径管接头封堵，转动尾座移动手柄，再将此端呈自由状态安装至试验台头座的自调心轴承；调整尾座对准螺栓和调偏螺栓，用百分表观察，保证自由状态下对心后的试验件偏心度不超过20μm；在距离可拆卸管接头5mm±1 mm位置A和B两个处呈90°贴两个应变片，如图2所示；将应变片连接应变仪，对试验件施加油压Sp，并在试验全程保持油压，调节试验台的调偏螺栓，对管路件施加预先设置好的弯曲应力S后，固定好试验件、试验台的头座和尾座，撤去应变仪和调偏螺栓，即可开展试验。导管位置A和B各自总应力Sf均呈正弦曲线变化，位置A和B的总应力Sf相差1/4个正弦周期。Sf应力值最大为S+Sp，最小为S-Sp。

图1 S-N曲线弯曲疲劳试验示意图

图2 S-N曲线弯曲疲劳试验中两个应变片在导管上的位置

1.2 国内外相关标准分析

SAE MA2003《液压管路连接和接头的弯曲疲劳试验方法，公制》（Rotary Flexure Testing of Hydraulic Tubing Joints and Fittings，Metric）和SAE ARP1185《液压管路连接和接头的弯曲疲劳试验方法，英制》（Rotary Flexure Testing of Hydraulic Tubing Joints and Fittings）同为SAE体系中弯曲疲劳试验方法，均规定了S-N曲线弯曲疲劳试验每个规格的试验件数量为8件，分为4个应力进行试验，每个应力试验件数量为2件。但2种试验方法各有自己特点：

SAE MA2003适用于公制管路件，按照拉伸强度的百分比来选择前3个弯曲应力S，最大的弯曲应力按照拉伸强度的35%选取，次大弯曲应力按照拉伸强度的25%选取，第3弯曲应力按照拉伸应力的23%选取，最小弯曲应力根据第3弯曲应力下试验件的试验情况灵活选取，在最小应力下，试验件应能完成107次的弯曲疲劳试验，最小应力值通常会在相应的管路件规范中给出。

SAE ARP1185适用于英制管路件，根据导管的材料来选取弯曲应力，对于不锈钢和钛合金管路件，最大弯曲应力选取245 MPa，次大弯曲应力选取175 MPa，第3弯曲应力选取161 MPa，最小弯曲应力也可根据第3弯曲应力下试验件的试验情况灵活选取；对于铝合金管路件，最大弯曲应力选取140 MPa，次大弯曲应力选取70 MPa，第3弯曲应力选取56 MPa，最小弯曲应力选取方法同上。

假设管材的抗拉强度为700 MPa时，SAE MA2003和SAE ARP1185的前3个弯曲应力S刚好相同；当管材拉伸强度超过700 MPa时，MA 2003中前3个的弯曲应力S均比SAE ARP1185规定的数值大；如果管材的拉伸强度不断增加，SAE MA2003的应力条件会更加严酷。2个试验方法可根据客户的需求灵活选取。

在SAE AS4401《56MPa可拆卸、永久连接液压流体系统试验规范》（Separable Fittings,Permanent Fittings, Tubing，Fluid Systems 8ksi qualification Test Standard for，56MPa）、SAE AS6116《10.5MPa铝合金连接轴向挤压无扩口管路流体系统规范》（Aluminum Fittings，Axially Swaged Tube with Flareless Separable，Fluid System Up to 10.5MPa Maximum，Specif i cation for）、SAE AS4459《21～28MPa流体系统外挤压管路件规范》,（Externally Swaged，Specification for Fittings，Tube，Fluid System（21～28MPa Rated Pressure））等管路件规范中，对不同压力管路件的S-N曲线弯曲疲劳的判据做了较为详细的说明，S-N曲线弯曲疲劳试验的判据由弯曲疲劳S-N曲线图谱和对照表组成。以SAE AS4459为例，其弯曲疲劳S-N曲线图谱和对照表如图3和表1所示，弯曲疲劳试验判据图谱是弯曲应力S和弯曲循环次数N的函数关系，根据弯曲疲劳试验的经验，在S-N坐标系中，以等同的区间分布为原则，绘制了12条比对曲线，编号分别为0、0.5、1、1.5、2、2.5、3、4、5、6、7、8以方便结果的比对。在弯曲疲劳的判据对照表中给出了不同规格常用材料管路件（铝合金、钛合金和不锈钢）合格要求，分为两个方面：一是在表中规定的最小应力下，弯曲疲劳试验至少完成107次寿命循环；二是规定了在其他应力下弯曲疲劳循环次数应不低于弯曲疲劳图谱中曲线上的理论值。例如：外径为1.0 in的铝合金管路件，从对照表查出，该规格管路件除满足在应力为4.0 ksi时应完成107次的弯曲循环外，还应满足在其他应力条件下的循环次数应不低于第8号曲线；再例如公称外径为0.25 in的管路件，除满足在应力为4.0 ksi时应完成107次的弯曲循环外，还应满足在其他应力条件下的循环次数应不低于第6.6号曲线，而在图谱中看不到6.6号曲线，此时需将第6号曲线和第7号曲线之间的区间进行10等分，取出第6.6号曲线。

图3 SAE AS4459中弯曲疲劳试验图谱

在SAE中，S-N曲线弯曲疲劳数据库类标准是SAE AIR1418《导管连接弯曲疲劳强度》（Flexure Fatigue Strength of Tube Fitting Joints），该标准于2013年修订，标准中的S-N曲线数据库是基于不锈钢无扩口锥套式管路件的全规格试验数据构建，压力级别21 MPa，数据库可为其他压力级别和不同类型不锈钢管路件的弯曲疲劳寿命提供参考。钛合金和铝合金数据在标准并未展现。钛合金管路件近年来研制进度很快，国外著名的管路件公司，如Permaswage，Eaton等，在21 MPa级别以上的钛合金管路件研发过程中，积累了大量S-N曲线弯曲疲劳试验数据，但均未公开。

表1 SAE AS4459中弯曲疲劳试验对照表

国内尚无S-N曲线弯曲疲劳试验方法相关标准，HB 6442-1990《飞机液压导管及连接件弯曲疲劳试验》中只规定了标准弯曲疲劳试验，即6个试验件在规定的应力条件下应全部通过107次旋转弯曲疲劳的考核。

航标中有2个管路件规范HB 4-1-2002《扩口管路件通用规范》和HB 5966-2008《24°无扩口导管连接件通用规范》。HB 4-1-2002的4.4检验方法中未规定S-N曲线弯曲疲劳试验，事实上，由于导管的扩口，导致导管壁减薄，扩口管路件在导管连接处的径向弯曲载荷承受能力低于同压力级别的无扩口管路件，扩口管路件通用规范中增加S-N曲线弯曲疲劳试验考核显得十分必要；HB 5966-2008中规定S-N曲线弯曲疲劳试验可替代标准弯曲疲劳试验，但没有详细给出应力水平的选择方法和28MPa级别下的公制S-N曲线弯曲疲劳试验的判据。

1.3 公制S-N曲线弯曲疲劳试验判据建立

试验方法上，可根据试验的要求灵活选用SAE MA2003和SAE ARP1185。在美标体系中，并未给出公制管路件S-N曲线弯曲疲劳试验判据。因此需将英制的弯曲疲劳图谱和对照表分别转化为公制形式。仍以SAE AS4459为例，通过用MATLAB对图3进行数学模型分析，弯曲疲劳S-N曲线图谱的各条曲线符合指数函数模型，根据7 MPa≈1 ksi的压力公英制转换关系，求得21 MPa～28 MPa管路件的12条公制弯曲疲劳S-N曲线图谱如图4所示。

根据1 in≈25.4 mm的尺寸公英制转换关系，将表1转换为21 MPa～28 MPa压力级别公制不同管径不

同材料的S-N曲线弯曲疲劳判据，如表2所示。

2 钛合金弯曲疲劳试验件典型失效分析

2.1 断裂过程

本文在建立公制S-N曲线弯曲疲劳试验体系的基础上，对某厂生产的大量不同规格公制钛合金管路件S-N曲线弯曲疲劳试验，分析了钛合金管路件典型的断裂过程。将断裂的管路件从试验台上取下，清洁断口后，用金相显微镜观察管路件断裂位置的剖面，如图5所示，上部零件是导管壁，下部零件是管套凹槽。从图中可以看出，导管的断裂位置在管接头凹槽棱角处，这是由于凹槽棱角处较为尖锐，导管在弯曲疲劳应力作用下，被迫与凹槽的棱角相互作用，导致导管表面形成应力集中区，该应力集中区成为疲劳裂纹形成的疲劳源。

图4 SAE AS4459中弯曲疲劳试验图谱

图5 钛合金管路件弯曲疲劳典型断裂位置

国外管路件公司管接头设计中针对凹槽的棱角的倒角规定范围是：0.005 in ～0.010 in，而国内尚未关注未对凹槽的倒角进行有效的控制导致管路件失效问题。

表2 21MPa～28MPa公制管路件的S-N曲线弯曲疲劳判据

2.2 管路件失效分析

将断裂后的试验件的断面用扫描电镜观察，其电镜图片如图6所示。

图6 失效管路件的导管断裂面扫描电镜图片

从图6（a）中可以看出，导管的断裂是沿着导管径向，从外表面向内部断裂，导管在断裂过程中形成了疲劳断裂带，从图6（b）中可以看出，在导管的内管壁上出现了较多的微裂纹，微裂纹的出现可能是因为导管的内壁的粗糙度不均匀，在内部液压的作用下，微裂纹从内表面的沟壑开始沿着径向向外部扩展；在弯曲疲劳应力作用下，导管外表面的裂纹向内部扩展，在内外裂纹不断扩展下，导管壁厚不断减小，当壁厚不足以承受28 MPa的内部液压和外部弯曲应力时，导管发生了突然断裂。

3 S-N曲线弯曲疲劳试验若干建议

依据国外S-N曲线弯曲疲劳试验体系，建立公制S-N曲线弯曲疲劳试验标准体系，包含试验方法，不同压力下的S-N曲线弯曲疲劳试验判据，应在试验过程中不断积累相关试验数据，建立类似SAE AIR1418的公制S-N曲线弯曲疲劳试验数据库。

通过某厂28MPa钛合金管路件的S-N曲线弯曲疲劳试验，经失效分析，建议提高管路件弯曲疲劳寿命的措施有：应有效的控制管套内部凹槽的倒角大小；严格控制导管内壁的粗糙度，可采用喷丸的方式，对导管内壁进行表面强化，并使得内壁的粗糙度均匀化，从而减小在内部液压下裂纹扩展的机会；在预装导管时，应控制导管和管接头直径的空隙量，在保证密封的前提下，尽可能的减小外挤压应力，减小导管的塑性变形。