第四章民用航空器维修技术

1第四章民用航空器维修技术2主要内容•失效分析技术•无损检测方法•修理技术与工艺3失效分析技术•失效的定义–产品或零部件丧失原设计所规定的功能的现象•失效与故障是两个不同的概念–“失效”(Failure)是事件–“故障”(Fault)是状态•失效包含以下三种情况–完全不能继续服役，如断裂或变形。–虽然还能运行，但已部分失去原有的功能。–虽然能运行，发挥原有功能，但因受损伤而不能安全可靠地继续服役•如一些受应力腐蚀而仍能继续发挥原有功能的零部件4•失效的类型–变形失效–断裂失效–腐蚀失效–磨损失效•变形失效–包括弹性变形失效、塑性变形失效、蠕变变形失效–其特点是非突发性失效，一般不会造成灾难性事故•但塑性变形失效和蠕变变形失效有时也可造成灾难性事故，应引起充分重视5断裂失效•塑性断裂失效–其特点是断裂前有一定程度的塑性变形•一般是非灾难性的，用电镜观察断口时，到处可见韧窝断裂形貌，观察断口附近金相组织，可见到有明显塑性变形层组织•脆性断裂失效–断裂前无明显的塑性变形，它是突发性的断裂•电镜下它的断口为河流花样或冰糖状形貌•疲劳断裂–疲劳的最终断裂是瞬时的，它的危害性较大，甚至会造成机毁人亡的重大损失•电镜观察断口时，在疲劳扩展区可看到疲劳辉纹。工程上断裂占有大多数，约占失效总数的80%以上•蠕变断裂失效–在高温缓慢变形过程中发生的断裂属于蠕变断裂失效•最终的断裂也是瞬时的6腐蚀失效•金属与周围介质之间发生化学或电化学作用而造成的破坏，属于腐蚀失效–应力腐蚀、氢脆和腐蚀疲劳等是突发性失效–点腐蚀、缝隙腐蚀等局部腐蚀和大部分均匀腐蚀失效不是突发性的，而是逐渐进展的磨损失效•磨损是指零部件几何尺寸（体积）变小–磨损失效所造成的后果一般不像断裂失效和腐蚀失效那么严重•然而近年来却发现一些灾难性的事故来自磨损•失效分析–判断失效的模式,查找失效原因和机理,提出预防再失效的对策的技术活动和管理活动称为失效分析–失效分析工作包括两个方面•一个方面是设备的失效分析–是失效事后的分析•另一个方面是设备的安全度评定和剩余寿命的预测–是失效事前的分析7•失效事件分析的全过程一般包括三个阶段–检测(detection)–诊断(diagnosis)–事后处理(prognosis)8•失效分析–即利用各种检测手段–调查、检查、测试和记录有关失效的现象、参数和信息–通过“诊断”–识别和确定产品失效的模式、过程、原因、影响因素和机理–经过“事后处理”采取补救措施(对服役件)、预防措施(对新生产的产品)和其它技术的、管理的反馈活动–以达到预防、改装和再设计的目的9•航空器常见失效分析–疲劳断裂失效分析–航空器的腐蚀损伤失效分析10疲劳断裂失效分析•在飞机、发动机及机载设备中，有许多零部件，如轴、齿轮、弹簧等，都是在交变应力下工作的，它们工作时所受的应力通常都低于材料的屈服强度–零部件在这种交变载荷下，经一定循环周次后发生的断裂称作疲劳断裂•据统计，航空器零部件机械失效案例中，疲劳断裂的案例最多•另外，疲劳断裂前无明显的塑性变形，断裂是突然发生的，具有很大的危险性，常常造成严重的事故•疲劳断裂失效分析的内容–分析判断•零件的断裂失效是否属于疲劳断裂•疲劳断裂的类别•引起疲劳断裂的载荷类型与大小•疲劳断裂的起源等•疲劳断裂失效分析的目的–找出引起疲劳断裂的确切原因•从而为防止同类疲劳断裂失效再次出现所要采取的措施提供依据1112•疲劳应力–由于金属的疲劳是在交变应力下经过一定循环周次之后才出现的，所以首先需要了解交变应力的特性–交变应力是指应力的大小或方向都随时间发生周期性变化(或无规则变化)的应力13•在交变载荷下，金属承受的交变应力和断裂循环周次之间的关系，通常用疲劳曲线来描述–疲劳曲线的纵坐标是所加的应力σmax，横坐标是对应的断裂周次N,如图所示，亦称为S-N曲线14•研究发现–金属承受的愈大，则断裂时应力交变的次数N愈少–反之，愈小，则N愈大。maxmax15•疲劳断裂的影响因素–应力集中的影响–尺寸的影响–温度的影响–其它影响因素•提高疲劳抗力的措施–优化设计–合理选材–零件表面强化工艺•表面热处理•化学处理•喷丸强化–减少变形约束1617航空器的腐蚀损伤失效分析•航空器的腐蚀和温度、湿度、材质质量、大气、海水、防护措施等因素紧密相关–是航空器最严重的损伤形式之一•腐蚀不仅降低了飞机的使用寿命和安全可靠性–而且危及飞行安全•甚至导致严重的飞行事故和重大的经济损失例如，1981年8月台湾省一架波音737型飞机因机身结构产生严重晶间腐蚀，导致飞机在空中解体，造成一等事故。另外，在使用寿命期内，用于维修结构腐蚀损伤的费用是相当高的。根据国际航空运输协会1983年的统计，由于飞机结构腐蚀给航空公司带来的平均经济损失是一架飞机每一飞行小时需要24美元的维修费用。航空器腐蚀损伤的机理•航空器零部件常见的腐蚀–化学腐蚀–电化学腐蚀18•化学腐蚀是指金属表面与非电解质直接接触从而发生纯化学作用而引起的破坏•特点是金属表面的原子与非电解质中的氧化剂发生氧化还原反应，形成腐蚀产物•腐蚀过程中电子的传递是在金属与氧化剂之间直接进行的，因而没有电流产生。飞机在使用过程中，金属部件经常与其他介质接触，从而发生化学反应，导致金属部件的破坏，此过程为化学腐蚀。如铝合金与空气接触一定时间后，其表面会因与空气中的氧发生氧化反应，从而在表面生成一层氧化膜。19电化学腐蚀是指金属表面与电解液发生电化学反应而引起的破坏。例如，在酸性环境中，在阳极区活性较高的金属M被氧化为M2+离子，其所放出的电子由阳极(M)、电解液的液相传质流至合金构件电极电位较高的的阴极区上，然后被H+离子吸收还原成氢气。大多数情况下，飞机通常处在中性或碱性环境中。在该环境下，阳极区发生的仍是金属的氧化，在阴极区发生的是氧气的还原反应，总反应为:2M+2H2O+O2＝2M(OH)2常见飞机金属构件电化学腐蚀的另外一种类型是因电解质溶液中不同部位成份浓度的差异引起的。例如，在飞机蒙皮铆接部位，由于表面吸附作用，使缝隙较小部位处氧的浓度高于缝隙较大处，从而形成氧浓差电池，也加速了蒙皮铝合金的腐蚀。航空器常见腐蚀的种类及特点•航空器腐蚀问题比较普遍–机体结构、系统部件、发动机等都容易发生腐蚀•航空器常见腐蚀的种类–全面腐蚀–局部腐蚀20在全部或大部分暴露的表面上发生的相对均匀的腐蚀其特点是金属表面受到均匀的浸蚀，使零部件厚度均匀减小。局部腐蚀主要局限于微小区域中21局部腐蚀类型•点腐蚀•缝隙腐蚀•电偶腐蚀•晶间腐蚀•选择性腐蚀•磨损腐蚀•应力腐蚀•氢损伤•腐蚀疲劳、22无损检测方法•目视检测法–目视检测法是指仅用人的眼睛或眼睛与一些辅助设备，对飞机构件表面做直接观察，发现构件表面损伤，并根据个人的技能和技术规范对损伤做出判断和评价–目视检测法可以借用的简单工具有：照明设备、放大镜、反光镜、测量器具和内窥镜等–在对飞机进行的维护工作中，目视检测法是最基本、最常用的检查方法。在对飞机进行其他的无损检测之前，对能目视到的部位，都应进行必要的目视检测法23•飞行前绕飞机一周检查•对机体表面的目视检测–对机体表面腐蚀损伤的目视检测–对飞机紧固件的目视检测–对表面裂纹的目视检测–对某些部件的内部进行目视检测2425超声波检测法•超声波特性和超声波检测法的原理•由于超声波在异质界面上会发生反射、折射等现象，尤其是不能通过气体固体界面。如果金属中有气孔、裂纹、分层等缺陷（缺陷中有气体）或夹杂，超声波传播到金属与缺陷的界面处时，就会全部或部分反射•反射回来的超声波被探头接收，通过仪器内部的电路处理，在仪器的荧光屏上就会显示出不同高度和有一定间距的波形•可以根据波形的变化特征判断缺陷在工件重的深度、位置和形状26•超声波探测法的适用范围–超声波检测法可用于金属、非金属、复合材料制件的损伤探测，既可以检测工件内部的缺陷，也可以检测工件表面的缺陷。可用来检测裂纹、分层、夹杂，气孔、疏松等缺陷，焊缝中的裂纹、气孔、未焊透等缺陷，复合材料的分层、脱胶等缺陷，还可以测定工件的厚度。•优点：超声波对于检测表面或内部缺陷都是一种灵敏度很高的方法。检测使用的超声波对人体和环境无害，设备轻便，便于携带，可进行现场检测。•局限性：不适用于形状复杂或表面粗糙工件的损伤探测；若对工件中的缺陷作精确的定性、定量分析，需要有参考标准。27X射线检测法•x射线的特性和x射线检测法的基本原理–当x射线透过被检工件时，有缺陷的部位，如气孔、非金属夹渣等和无缺陷部位的基体材料对x射线的吸收能力不同–以金属为例，缺陷部位所含空气、非金属夹杂物对x射线的吸收能力远远低于金属的吸收能力，这样，通过有缺陷部位的射线强度高于无缺陷部位的射线强度–当用感光胶片来检测射线强度时，在内部有缺陷的部位就会在感光胶片上留下黑度较大的影像。2829x射线检测法的优缺点•优点–①几乎适用于所有材料，而且对工件形状及表面情况均无特殊要求，适用于飞机上结构件的原位检查；–②不但可检测出材料表面缺陷，还可以检查出材料内部缺陷；对目视可达性差或被其他构件覆盖的结构件，如蒙皮覆盖下的桁条、框、肋等，都可以用x射线检测法来检查损伤情况；–③能直观显示缺陷影像，便于对缺陷进行定性、定量分析；–④感光胶片能长期存档备查，便于分析事故原因；–⑤对被检工件无破坏、无污染。30•局限性–①射线在穿透物质的过程中因被吸收和散射而衰减，使得用它检测工件的厚度有一定的限制；–②x射线检测设备一次性投资大，检测费用高；–③射线对人体有伤害，检测人员应作特殊防护。31涡流检测法•涡流检测法的基本原理–涡流检测法是以电磁感应原理为基础的–在检测线圈上通交变电流(即激励电流)，会在线圈的周围产生一个交变的磁场(初级磁场)，如果将线圈靠近被检测的导电工件，工件内会感应出交变电流——涡流，并在工件及其周围产生一个附加的交变磁场(次级磁场)，见图。–次级磁场与初级磁场方向相反，并会在线圈中感应电动势。–这样，通过测量线圈中电流变化量，就可以确定次级磁场的变化情况。如果试件表面(或近表面)有裂纹，势必使涡流的流动发生畸变，影响次级磁场，导致线圈中电流的变化，从而反应出工件中缺陷的情况–。3233•涡流检测方法–独立检测法–对比检测法34•检测线圈放置方法–穿过式线圈–内通过式线圈–放置式线圈图4-7检测时线圈和式样的相互位置关系(a)穿过式线圈；(b)内通过式线圈；(c)放置式线圈35涡流检测法的应用•涡流检测法适用于检测导电材料制件的表面或近表面损伤，如裂纹、折叠、气孔、夹杂等的检测–不适用于热处理的碳钢或合金钢等强磁性材料构件的损伤检测，因为强磁性材料不均匀的导电率会影响测量结果•涡流检测法设备简单、操作方便、成本低，易于实现自动化操作，速度快，无需对检测表面做特殊清洁和准备工作，便于进行现场检测•对导电材料制件表面或近表面的疲劳裂纹、应力腐蚀裂纹有很高的灵敏度，特别适用于飞机结构中的铝合金构件。36磁粉检测法•磁粉检测的基本原理–当铁磁性工件被磁化后，如果工件表面或近表面存在缺陷，造成局部磁阻增大，磁力线在缺陷附近弯曲，呈绕行趋势•溢出磁力线叫缺陷漏磁，形成缺陷漏磁场–此漏磁场将吸引、聚集检测过程中施加在工作表面上的磁粉，形成缺陷显示37•磁粉检验方法–连续法•在对工件充磁的同时，往工件上喷洒磁粉或磁悬浮液，并进行检查–剩磁法•利用工件充磁后的剩磁进行检查38磁粉检测方法的应用•磁粉检测方法用于检测铁磁性材料工件表面或近表面的裂纹、夹杂等缺陷，但不能检测出缺陷的深度•这种方法操作简单、速度快、灵敏度高，缺陷显示直观，能准确地确定缺陷大小、形状和位置•飞机结构上的铁磁性工件表面或近表面的缺陷都可以用磁粉检测法来检测，检测结果直观而可靠•磁粉检测法不适用于非铁磁性材料，而且在检查前必须对被检工件的表面进行清洗•另外，检测后要对探伤工件进行退磁处理。39•退磁处理–若对经过磁粉检测法探伤的工件不进行退磁处理，工件上的剩磁场会对工件以后的加工或工作带来不利影响•剩磁会影响工件周围某些仪器和仪表的工作精度和功能；•剩磁会吸附磁粉，造