如何体现民用航空工程材料失效分析课程的特色

丁坤英 冯日宝

[摘要]失效分析揭示了航空工程材料的危险源，可以预防同类事故的再次发生，提升飞行器安全水平。民用航空工程材料的种类、载荷条件、使用环境等有其行业特殊性，所以失效形式、分析手段等也存在特殊性。民用航空工程材料失效分析课程不能按照一般性材料失效分析所涵盖的内容讲授，而是需要根据行业特色布置授课内容、安排教学方法。为突出民用航空特色，需要针对民用航空工程材料工况条件下的失效分析进行重点讲解，针对树脂基复合材料的失效进行专题讲解，针对民用航空工程材料的失效进行案例教学。

[关键词]民用航空 工程材料 失效分析

一、失效分析在民用航空领域的重要作用

1903年12月世界上诞生第1架飞机，揭开了航空史上的第一页，从此载人航空器走进了人们的视线，并与日常生活产生了密不可分地联系。两次世界大战促使航空器制造技术迅猛发展，也促使民用航空领域发展成为一个产业，20世纪50年代以后，民用航空的服务范围不断扩大，成为一个国家的重要经济部门。

航空事业走过了100多年的路程，其中也伴随了诸多波折。在飞机发明后不久的1908年发生了第一起航空事故，此后随着飞机的大量使用，飞行事故也是频频发生，甚至在1985年发生了单机死亡520人的重大灾难。在灾难面前，民航人没有停下脚步，而是积极面对。为了避免同类事故的再次放生，每一次事故發生后，专业人员都会针对事故现场进行失效分析。1915年英国成立了世界上第一个航空事故调查机构，1967年美国成立国家运输安全委员会负责航空事故的调查，2007年中国成立航空事故调查中心承担我国航空事故的调查工作，这些调查机构的重要工作就是进行失效分析。针对失效分析揭示出的不同层面上的危险源，进行设计更改、工艺变更、材料更新等，可以促使民用航空器安全水平整体性的提高。经过失效分析人员不断地努力，民航定期航班达到了平均飞行1420000架次发生一起严重飞行事故（百万飞行架次事故率0.7）的水平[1]。根据美国1985年的统计，民航班机事故率约为汽车的三百分之一，约为火车的二分之一，也就是说，民航飞机成为了最安全的交通工具。没有哪种交通工具比航空器更重视失效分析，失效分析为提高飞机的安全性水平做出了重大贡献！

二、民用航空中失效的主要材料种类及主要形式

产品或零件丧失原设计所规定功能的现象称为失效。有些失效是系统性的，有些失效是部件级的。不同级别的失效都与基础材料的失效有关，研究材料的失效是研究航空器失效的基础。航空工程材料的类型主要有铝合金、钛合金、镍基合金、高强钢和先进复合材料[2]。用在航空领域的铝合金主要是2系和7系铝合金，具有代表性的是2024和7075铝合金。2系铝合金属于Al-Cu-Mg系合金，具有较高的塑性、疲劳寿命、断裂韧性和抗疲劳裂纹扩展性能，但抗蚀性较差。该合金主要用在机身、机翼、肋板和腹板以及对强度要求高的其他结构件上。7系铝合金属于Al-Zn-Mg-Cu系合金，这类合金具有高的比强度和硬度、较好的耐腐蚀性能和较高的韧性、优良的加工性能，广泛使用于飞机结构的重要受力零件，如飞机蒙皮、翼梁、隔框、长桁、起落架及液压系统部件等。民用航空材料中的铝合金的失效主要是货舱铝合金的腐蚀。货舱的典型结构元件包括隔框、长桁、蒙皮壁板以及紧固件，除高锁螺栓为钛合金外，其他结构元件和紧固件的材质都为2系或7系铝合金。铝合金的腐蚀以萌生于各元件装配面缝隙或紧固件孔缝隙的剥层腐蚀为主，特别是在货舱底部的隔框/蒙皮的连接处以及长桁/蒙皮的连接处腐蚀最为严重[3]。钛合金具有较高的比强度及耐腐蚀、抗氧化性能，除了紧固件外，最主要是用在发动机的转子盘和叶片，最具代表性的是Ti-6Al-4V合金。民用航空钛合金的失效形式主要是疲劳断裂。不论是发动机的转动部件还是机身的紧固件，都承受循环载荷的作用，而连接件和转动部件又都存在应力集中区域，是疲劳断裂易发区域。因此疲劳裂纹的产生、扩展以及寿命预测是钛合金部件失效分析的重点[4]。镍基合金具有良好的抗氧化性能和红硬性，主要用于制造航空发动机的涡轮叶片、涡轮盘和燃烧室等，典型代表是Ni718合金。由于镍基合金部件常常在高温、高负荷条件下工作，承受离心载荷、热载荷、气动载荷、振动载荷及高温氧化和燃气腐蚀的复合作用，它的主要失效形式是蠕变和热腐蚀[5]。超高强钢是一种高强度、高韧性的合金钢，通常抗拉强度在1500MPa以上，具有代表性的是300M超高强钢，主要用于承受高应力的重要结构部件，特别是起落架部件。超高强钢虽然有很高的抗拉强度，但是介质环境中容易发生应力腐蚀。超高强钢应用的部件主要是起落架，而起落架部件工作温差较大，内部容易产生冷凝积水。超高强钢在水介质中的应力腐蚀是氢致开裂。钢的强度越高，产生氢致开裂的倾向越大，所以应力腐蚀下的氢致开裂是超高强钢最需要注意的失效形式[6]。民用航空制造中常用的先进复合材料以玻璃纤维和碳纤维树脂基复合材料为代表。这种复合材料比强度、比模量高，抗疲劳性能与金属材料相比几乎高出一倍，已经广泛应用于机身蒙皮、尾翼、风扇叶片等部位，复合材料用量的多少代表了飞机制造的先进程度。复合材料的失效主要是由于飞鸟、砂石、冰雹等物体撞击造成的层板分层、脱胶、纤维断裂等缺陷，有些缺陷外部不易察觉，需要辅助相应的无损检测设备进行分析[7]。

三、目前民用航空类院校失效分析课程存在的问题及解决方案

1.针对民用航空材料特殊环境下的失效分析进行重点讲解

民用航空制造所需的材料有其特殊性，这些材料的使用环境也是特定的，所以民用航空材料的失效分析的侧重点应该有别于一般材料。但是现在院校教学过程中所采用的教材都是针对通用材料失效分析的，这些教材主要以钢铁材料为主体，侧重于讲解静载荷条件下钢铁材料的断口特征，对于有色金属、高温合金等在腐蚀、疲劳、高温等条件下的失效分析的讲解都是非常简略，然而对于民航航空材料的失效分析来讲，后者反而是重点内容。因此对于民用航空材料失效分析的课程应该对所用教材进行结构优化，在让学生掌握一般性失效机理的基础上，重点讲解民用航空材料特有的失效形式和机理。这就需要教师展开实际调研，了解航空材料在应用过程中的环境条件，概括航空材料在环境条件下的失效机理、失效形式，扩充教材内容，增加有民用航空特色的知识。

2.针对树脂基复合失效分析进行专题讲解

为了减轻机身的重量，提高商业飞机的载客能力，现代民用飞机越来越多的使用复合材料。空客A380复合材料的用量达到30%，而波音787的复合材料用量更是达到了50%。复合材料已经从原来的整流罩、盖板等非承力、次承力部件向翼梁、隔框等主承力部件扩展，已经成为现代民用航空制造中具有代表性的一种材料。但是对于复合材料的失效分析，目前院校的失效分析教材中涉及的内容非常少。这就需要任课教师查阅复合材料失效近年来的研究成果，形成专题内容，让学生了解这种新材料在工程应用过程中的失效形式、失效原理以及失效分析方法。对于民用航空复合材料的失效分析，着重以下两方面研究成果的汇总。一方面是复合材料在撞击条件下分层、脱胶、断裂等失效形式的机理研究；另外一方面是复合材料在湿热、紫外照射等环境条件下性能衰退方面的机理研究。通过对复合材料失效的专题性講解，增加学生在先进材料失效分析方面的知识储备，有助于其更快更好地从事今后的生产或科研工作。

3.针对民用航空工程材料的失效进行案例教学

对于民用航空材料失效分析的教学既需要科学、严谨的理论教学，也需要生动形象的实例教学，这样有助于学生更好地了解民用航空材料失效分析的特殊性，也有助于学生了解失效分析的步骤和体系。民用航空材料失效分析的案例可以通过查阅近年来的适航当局咨询通告和试验分析报告进行归纳和总结。例如讲到疲劳断裂时可以借助于某飞机外翼下壁连接件疲劳断裂失效分析进行实例教学。此连接件为Ti-6Al-4V合金，在工作过程中承受循环载荷，设计寿命为20万循环以上，但是在使用过程中出现提前断裂的现象。经过失效分析发现，钛合金连接件的断口中疲劳区面积很小，大面积为静拉伸的瞬断区，这就说明了该部件承受的应力水平很高。通过金相分析发现，螺栓内部存在制造过程中产生的微小裂纹，这些裂纹在高应力作用下迅速扩展，造成了钛合金螺栓疲劳寿命下降。利用这样一个实例，就把有色合金材料在循环载荷条件下失效分析所包含的力学分析、断口分析、失效机理、寿命预测等知识点串联了起来，让原本抽象化的理论变得具象化，有助于学生的理解和掌握。

四、结束语

失效分析是为寻找产品的失效原因和预防措施所进行的一切技术活动，它针对失效的性质、原因、解决和预防方法进行科学的研究，并从中找到规律性的认识。失效分析对于提升航空器的安全水平有着至关重要的作用，是航空类院校一门重要的课程。但是失效分析课程涉及到工程力学、材料学、测试技术等多领域的内容，知识体系繁杂，民用航空类院校开设这门课程，必须依照航空材料特有的失效形式进行针对性的讲解，在课程内容安排、讲授方法、实例及试验教学上必须体现民用航空领域的特色。只有做到这一点，才能促进民用航空院校材料学科人才的培养水平，使民用航空类院校学生学有所专、学有所长。

[参考文献]

[1]姬永兴.失效分析与航空安全[A]，2006年全国失效分析与安全生产高级研讨会论文集[C]，出版地：北京，中国工程机械学会，2006.

[2]颜鸣皋，吴学仁，朱知寿.航空材料技术的发展现状与展望[J].航空制造技术，2003（12）：19-25.

[3]王志平，徐天杰，苏景新.基于数据模型的某型民用飞机货舱区域腐蚀影响因素研究[J].航空学报，2012，33（5）：940-948.

[4]陶博浩，李红，栗卓新，等.先进航空钛合金中温钎焊技术的研究进展[J].机械工程材料，2013，37（11）：1-5.

[5]杨健，刘国良，魏磊，等.航空发动机高温合金涡轮盘抗疲劳制造评价方法研究[J].航空材料学报，2014，34（1）：86-92.

[6]代伟，易幼平，李蓬川，等.300M超高强钢起落架外筒模锻件锤锻工艺[J].宇航材料工艺，2012（6）：100-105.

[7]习年生，于志成，陶春虎.纤维增强复合材料的损伤特征及失效分析方法[J].航空材料学报，2000，20（2）：55-63.

（作者单位：中国民航大学 理学院 天津）