金屬裂紋的定義及分類

金屬裂紋就廣義來講，凡使金屬的連續(xù)性被破壞的缺陷，而此種缺陷又具有一定的深度、寬度和長度，成直線或是曲線分布于金屬的表面或內(nèi)部，即稱之為裂紋。從狹義來講，所謂裂紋，即是在金屬的表里，成直線或曲線狀，而且又是比較長的開裂的一種現(xiàn)象。

由于金屬裂紋產(chǎn)生的原因很多，存在的形狀又極為復(fù)雜，根據(jù)裂紋產(chǎn)生的根源和特征，以及對(duì)金屬材料質(zhì)量危害程度大小等因素，可將裂紋分為以下幾類：

按裂紋存在的形狀和大小可分為：龜裂、“V型”裂紋、“Y型”裂紋、之狀裂紋、環(huán)狀裂紋、雞爪裂紋和絲紋、發(fā)紋、裂紋等宏觀裂紋，以及微觀裂紋。

按裂紋存在于金屬的不同方向分為：縱裂紋、橫裂紋及無定向裂紋等。

按裂紋存在之不同部位分為：表皮裂紋、皮下裂紋、心部裂紋與頭部裂紋、中部裂紋、尾部裂紋及角部裂紋等。

按裂紋產(chǎn)生的不同根源分為：鑄造裂紋、鍛造裂紋、軋制裂紋、拔制裂紋、研磨裂紋、焊接裂紋、疲勞裂紋等。

其中因瞬間超載而發(fā)生的脆性折斷，以及先因部分地區(qū)產(chǎn)生破壞開裂，然后逐漸擴(kuò)大其他破壞的區(qū)域，終于使整個(gè)金屬的截面被折斷的，這即所謂疲勞斷裂，即我們常說的疲勞裂紋導(dǎo)致的失穩(wěn)。因?yàn)槠诹鸭y的形成機(jī)理較為復(fù)雜，形成周期較長，裂紋較難發(fā)現(xiàn)，最終后果較為嚴(yán)重，所以疲勞裂紋是本文討論和研究的一個(gè)重點(diǎn)。

疲勞裂紋的擴(kuò)展規(guī)律及形成的微觀機(jī)理

1.疲勞裂紋的擴(kuò)展規(guī)律

從疲勞裂紋宏觀斷口分析，疲勞過程是由疲勞裂紋萌生、亞穩(wěn)擴(kuò)展和最后失穩(wěn)擴(kuò)展組成，其中裂紋擴(kuò)展過程占很大比例，是決定整個(gè)疲勞壽命的重要組成部分。圖1給出了某金屬疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線，縱坐標(biāo)為dadN,指單位循環(huán)下的裂紋擴(kuò)展長度，橫坐標(biāo)為應(yīng)力強(qiáng)度因子△K, 為了便于分析，對(duì)縱、橫坐標(biāo)進(jìn)行取雙對(duì)數(shù)。

由圖1中還可以看出, dadN-△K曲線為包括三個(gè)不同的裂紋擴(kuò)展區(qū)段的反S形變化規(guī)律。曲線可分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個(gè)區(qū)段，Ⅰ區(qū)是裂紋擴(kuò)展初始階段，dadN值很小，約10^-8～10^-6mm/cycle，裂紋擴(kuò)展速率相對(duì)較慢。

圖1 某金屬疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線

Ⅱ區(qū)是裂紋擴(kuò)展主要階段，是決定疲勞裂紋擴(kuò)展壽命的主要組成部分，dadN值較大，約10^-5～10^-2mm/cycle, 曲線近似呈線性，裂紋擴(kuò)展速率相對(duì)較快。

Ⅲ區(qū)是疲勞裂紋擴(kuò)展的最后階段，dadN值很大，并隨△K增加而快速增大，疲勞裂紋擴(kuò)展速率急劇增加，繼而發(fā)生金屬材料的失穩(wěn)斷裂。

為了便于區(qū)分疲勞裂紋擴(kuò)展過程的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個(gè)區(qū)段，圖2給出了疲勞裂紋擴(kuò)展的各區(qū)段的主要特征，從表中可以看出，Ⅰ區(qū)主要以單剪切失效，斷口形貌呈小平面，Ⅱ區(qū)主要是雙滑移，斷口形貌呈疲勞輝紋，而Ⅲ區(qū)則具有靜態(tài)斷裂特征，屬于解理或準(zhǔn)解理斷裂，此外，外界因素對(duì)Ⅰ、Ⅱ區(qū)的影啊較大，而對(duì)Ⅲ區(qū)的影響則較小。

圖2 疲勞裂紋擴(kuò)展的三個(gè)區(qū)段主要特征

2.疲勞裂紋形成的微觀機(jī)理

疲勞過程分為裂紋萌生、穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展和斷裂以上三個(gè)階段，通過研究各個(gè)階段的物理過程，對(duì)于認(rèn)識(shí)疲勞本質(zhì)，分析疲勞原因，采取相應(yīng)延長疲勞壽命措施具有重要意義。

（1）疲勞裂紋萌生

疲勞裂紋萌生的主要原因包括表面滑移帶開裂，第二相或夾雜物，以及晶界或亞晶界開裂等。

金屬在循環(huán)應(yīng)力作用下，會(huì)發(fā)生循環(huán)滑移并形成極不均勻的循環(huán)滑移帶，一般來說，這些循環(huán)滑移帶常集中分布于某些局部薄弱區(qū)域，而經(jīng)過長時(shí)間的循環(huán)應(yīng)力下，微裂紋很容易在這些循環(huán)滑移帶區(qū)域萌生。了解了容易滋生疲勞裂紋的區(qū)域，航空公司在飛機(jī)日常維護(hù)中應(yīng)加強(qiáng)這些區(qū)域的日常檢查；在結(jié)構(gòu)修理中，嚴(yán)格遵照手冊(cè)要求，防止出現(xiàn)應(yīng)力集中，為裂紋的產(chǎn)生提供溫床。

第二相或夾雜物也常常成為裂紋的萌生地，如鋁合金中含F(xiàn)e、Si的雜質(zhì)相。而含F(xiàn)e、Si雜質(zhì)相在基體內(nèi)會(huì)引起很大的應(yīng)力集中，在外部施加的循環(huán)應(yīng)力達(dá)到其所能承受的最大應(yīng)力時(shí)，這些雜質(zhì)相則會(huì)優(yōu)先發(fā)生自身的脆斷或與Al基體相分離，為微裂紋的形成提供條件。

在多晶體材料中，由于晶界的存在和相鄰晶粒的不同取向性，當(dāng)位錯(cuò)要橫穿過晶粒進(jìn)去下一個(gè)晶粒時(shí)，往往會(huì)因?yàn)榫Ы绲淖璧K作用而不斷塞積在晶界位置，引起很強(qiáng)的應(yīng)力集中，也有可能成為裂紋源。

（2）疲勞裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展

根據(jù)裂紋的擴(kuò)展方向，可將疲勞裂紋擴(kuò)展分為兩個(gè)階段，第一階段是疲勞裂紋擴(kuò)展的初始階段，裂紋通過以上的幾種方式萌生后，開始向晶體內(nèi)最有利的滑移面擴(kuò)展，但是裂紋在朝滑移帶擴(kuò)展的過程中，會(huì)受到晶體內(nèi)第二相粒子、晶界等阻礙作用，很多微裂紋都會(huì)因?yàn)槭艿阶璧K而停止擴(kuò)展，一般來說只會(huì)有很少的微裂紋能夠繼續(xù)擴(kuò)展下去，且都停止在不遠(yuǎn)處，如圖3所示。此階段的裂紋擴(kuò)展速率很低，而且擴(kuò)展總進(jìn)程也很小，所以其斷口形貌沒有明顯的特征。

圖3 疲勞裂紋擴(kuò)展第一階段

第二階段為裂紋擴(kuò)展的主要階段。在這個(gè)階段，裂紋主要沿垂直拉應(yīng)力方向不斷擴(kuò)展，與裂紋擴(kuò)展速率曲線中Ⅱ區(qū)相對(duì)應(yīng)，此階段斷口形貌的典型特征即為疲勞輝紋。一般來說，在奧氏體鋼和鋁合金等材料的疲勞斷口中能夠經(jīng)常觀察到明顯的疲勞輝紋特征。

由于裂紋的穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展周期較長，是決定整個(gè)疲勞壽命的重要組成部分，也是裂紋較容易發(fā)現(xiàn)和穩(wěn)定的時(shí)期，航空公司最好應(yīng)該在此階段發(fā)現(xiàn)和修復(fù)裂紋，防止裂紋向疲勞斷裂階段發(fā)展。

（3）疲勞斷裂

疲勞斷裂為裂紋擴(kuò)展第三階段，即裂紋擴(kuò)展至臨界尺寸，dadN很大，并隨△K增加而很快的增加，只需要擴(kuò)展很少周次就會(huì)導(dǎo)致材料失穩(wěn)斷裂。在該階段，裂紋尖端的塑性區(qū)遠(yuǎn)大于晶粒尺寸，整個(gè)疲勞斷裂過程類似靜態(tài)加載時(shí)的斷裂，故在韌性材料的疲勞斷口上能觀察到很多靜態(tài)加載斷裂時(shí)常見的韌窩形貌。

飛機(jī)裂紋的修理

鑒于金屬裂紋對(duì)于飛行安全的嚴(yán)重威脅，金屬裂紋的維修原則一般為“及時(shí)發(fā)現(xiàn)，即刻修理”,在飛機(jī)制造商的結(jié)構(gòu)修理手冊(cè)里，對(duì)于裂紋的損傷基本上都是要求飛機(jī)停飛，立即修復(fù)，很少有允許損失存在的。四川航空作為國內(nèi)首家運(yùn)營空客機(jī)型的運(yùn)營商，目前已有運(yùn)行18年的老齡飛機(jī)。在飛機(jī)維護(hù)過程中，在老齡飛機(jī)上也發(fā)現(xiàn)多起蒙皮裂紋和起落架裂紋的缺陷，針對(duì)不同部件的不同種類的裂紋采取了不同的維修方式，實(shí)際的維修經(jīng)驗(yàn)較為豐富。

1.非增壓區(qū)域或是非關(guān)鍵部件上出現(xiàn)輕微、細(xì)小裂紋的修理

輕微裂紋對(duì)部件強(qiáng)度削弱不多，不影響部件的承載力，可以考慮以打止裂孔的方式進(jìn)行維修。這也是在飛機(jī)維修中比較常用的一種維修方式，對(duì)此，飛機(jī)制造商大多有明確的規(guī)定，如空客和GOODRICH，都對(duì)輕微裂紋有明確的尺寸限制，并有打止裂孔的標(biāo)準(zhǔn)施工方法，常見的打止裂孔的方式有如圖4下幾種：

圖4 止裂紋

需要提醒注意的是，在打止裂孔前，一定要借助工具確認(rèn)裂紋真正的端點(diǎn)，如果是金屬外層有漆層覆蓋的，一定要先將漆層打磨掉才能確認(rèn)裂紋真正的端點(diǎn)。原因在于止裂孔的位置離裂紋端點(diǎn)的距離是有要求的，一般為“T”的距離，“T”為材料的厚度，如果離得太遠(yuǎn)，或是止裂孔打在裂紋中間，則起不到止裂的作用，止裂孔直徑一般為6.4毫米(0.252英寸)。打止裂孔可以作為裂紋的一種臨時(shí)性修理方式也可以作為永久性的修理方式，如在A320機(jī)型的V2500發(fā)動(dòng)機(jī)反推的扭力環(huán)上常出現(xiàn)2～3厘米的微小裂紋，GOODRICH是允許打止裂孔作為永久性修復(fù)的。

2.增壓區(qū)域的飛機(jī)關(guān)鍵部件上裂紋的修理

在增壓區(qū)域或關(guān)鍵部件上的裂紋如飛機(jī)蒙皮裂紋則不能通過打止裂孔來進(jìn)行修理，原因在于增壓區(qū)域要受客艙增壓、減壓的交變作用力，只能采取挖補(bǔ)修理的辦法，否則裂紋會(huì)在增壓狀態(tài)下急速擴(kuò)展，而使蒙皮整體撕裂、失效。

挖補(bǔ)修理的原理為將產(chǎn)生裂紋、失去強(qiáng)度的飛機(jī)蒙皮去除掉，防止裂紋沿整個(gè)機(jī)身蒙皮擴(kuò)展，而加以補(bǔ)片和加強(qiáng)片從而恢復(fù)飛機(jī)蒙皮的氣動(dòng)外形和強(qiáng)度的方法。

3.起落架上裂紋的焊接修理

飛機(jī)起落架由于受著陸沖擊載荷的影響，容易產(chǎn)生裂紋。如果出現(xiàn)裂紋，可以通過焊接來修理，當(dāng)然這種維修技術(shù)要求比較高，不是航空公司或是一般修理廠家能完成的。在焊接修理前，一般是先要確認(rèn)裂紋的走向和深度，再對(duì)于非穿透性的裂紋進(jìn)行踢槽，使裂紋處呈U型面，然后進(jìn)行焊接。

4.發(fā)動(dòng)機(jī)葉片裂紋的修理

航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的工作條件非常惡劣，因此采用了性能優(yōu)異但價(jià)格十分昂貴的鎳基和鈷基高溫合金材料及復(fù)雜的制造工藝。然而渦輪葉片由于受磨損、沖擊、高溫燃?xì)夂屠錈崞诘茸饔茫桩a(chǎn)生各種裂紋缺陷。激光熔覆修理是處理這類裂紋缺陷比較好的修理辦法，它實(shí)質(zhì)是葉片激光修復(fù)技術(shù)中的一種，即將激光束照射在裂紋處，同時(shí)送粉器不斷送粉（修復(fù)焊料金屬粉末），利用激光束的高能量，不斷熔化修復(fù)焊料粉末和葉片基體材料，使修復(fù)焊料和葉片基體緊緊結(jié)合在一起，從而達(dá)到修復(fù)目的。

結(jié)語

鑒于金屬裂紋對(duì)于飛行安全有重大威脅，對(duì)于其中較為隱蔽和復(fù)雜的疲勞裂紋形成機(jī)理分析有助于航空公司及早發(fā)現(xiàn)裂紋，及時(shí)處理、維修裂紋缺陷，對(duì)于保障整個(gè)飛機(jī)的機(jī)體結(jié)構(gòu)安全，提升機(jī)隊(duì)安全運(yùn)行都有重要意義。根據(jù)航佳技術(shù)飛機(jī)裂紋維修資料整理。

“熱處理生態(tài)圈”以熱處理為核心報(bào)道方向，著眼材料、冶金、熱成型、加工和結(jié)構(gòu)等影響零件成品的整個(gè)鏈條因素，構(gòu)建質(zhì)量生態(tài)圈的理念。