SAE標準中管路件S-N曲線彎曲疲勞試驗研究及應用

吳子龍 文 放 焦志強 鄭朔昉

（中航工業綜合技術研究所，北京 100028）

管路系統在飛機飛行期間，除了受到內部介質壓力的作用外，還會受到因飛機結構的彈性變形，以及因高低空的溫度變化所導致的各種不同形式外力的影響，其中最危險的外力是在導管連接處的徑向彎曲載荷。為保證系統在飛機整個服務期內的安全，導管及其連接件必須能夠承受這些形式的外力變化，即管路件的彎曲疲勞強度要求。

彎曲疲勞強度考核常用的方法是S-N曲線彎曲疲勞試驗，國外管路件S-N曲線彎曲疲勞試驗體系及相關標準已比較完善，而國內S-N曲線彎曲疲勞試驗剛起步，試驗方法和評價標準等方面尚不健全，本文通過對國外管路件S-N曲線彎曲疲勞試驗相關標準研究的基礎上，對國內S-N曲線彎曲疲勞試驗體系及標準體系的完善提供了若干參考建議，并對典型鈦合金管路件做了失效分析。

對于航空管路件彎曲疲勞強度的要求，不同國家的標準有不同的規定。歐美及國際標準化組織的規范規定，在導管中充以工作壓力，導管上距離連接件（管套或平管嘴）5 mm處測得的導管最大應力等于±σb/4（σb為導管抗拉強度）的條件下，導管應能通過107次應力循環。試驗可以采用3種不同的方法進行：一種是懸臂梁式振動試驗，一種是簡支梁式振動試驗，第3種是S-N曲線彎曲疲勞試驗。

這3種試驗方案在國內都有所使用，其中懸臂梁式的振動試驗和S-N曲線彎曲疲勞試驗都比較準確，而簡支梁式振動試驗由于加壓用軟管的重量影響難以消除且不確定，所以試驗結果說服力相對不強，經過某些加權處理后的試驗結果同標準規定的值比較接近。

在懸臂梁式的振動試驗和S-N曲線彎曲疲勞試驗中，懸壁梁式的試驗方法需要振動試驗臺，并且要非常準確地調整配重，否則就無法對多根試件同時試驗，S-N曲線彎曲疲勞試驗則沒有此問題，可以同時對多根試件進行試驗，而且所需試驗設備的成本也遠低于振動試驗臺，因此，美國的技術人員一直主張采用S-N曲線彎曲疲勞試驗方法來檢驗導管連接件的抗彎曲疲勞性能。

1 S-N曲線彎曲疲勞試驗

1.1 試驗方法

S-N曲線彎曲疲勞試驗的關鍵在于對疲勞應力的選擇，彎曲疲勞的總應力Sf包含內部油壓產生的應力Sp，以及外部施加的彎曲應力S，即Sf=S+Sp。

S-N曲線彎曲疲勞試驗方法簡述：如圖1所示，將試驗件一端安裝可拆卸管接頭后擰緊固定至試驗臺尾座，與尾座的液壓接頭相連通；將另一端用變徑管接頭封堵，轉動尾座移動手柄，再將此端呈自由狀態安裝至試驗臺頭座的自調心軸承；調整尾座對準螺栓和調偏螺栓，用百分表觀察，保證自由狀態下對心后的試驗件偏心度不超過20μm；在距離可拆卸管接頭5mm±1 mm位置A和B兩個處呈90°貼兩個應變片，如圖2所示；將應變片連接應變儀，對試驗件施加油壓Sp，并在試驗全程保持油壓，調節試驗臺的調偏螺栓，對管路件施加預先設置好的彎曲應力S后，固定好試驗件、試驗臺的頭座和尾座，撤去應變儀和調偏螺栓，即可開展試驗。導管位置A和B各自總應力Sf均呈正弦曲線變化，位置A和B的總應力Sf相差1/4個正弦周期。Sf應力值最大為S+Sp，最小為S-Sp。

圖1 S-N曲線彎曲疲勞試驗示意圖

圖2 S-N曲線彎曲疲勞試驗中兩個應變片在導管上的位置

1.2 國內外相關標準分析

SAE MA2003《液壓管路連接和接頭的彎曲疲勞試驗方法，公制》（Rotary Flexure Testing of Hydraulic Tubing Joints and Fittings，Metric）和SAE ARP1185《液壓管路連接和接頭的彎曲疲勞試驗方法，英制》（Rotary Flexure Testing of Hydraulic Tubing Joints and Fittings）同為SAE體系中彎曲疲勞試驗方法，均規定了S-N曲線彎曲疲勞試驗每個規格的試驗件數量為8件，分為4個應力進行試驗，每個應力試驗件數量為2件。但2種試驗方法各有自己特點：

SAE MA2003適用于公制管路件，按照拉伸強度的百分比來選擇前3個彎曲應力S，最大的彎曲應力按照拉伸強度的35%選取，次大彎曲應力按照拉伸強度的25%選取，第3彎曲應力按照拉伸應力的23%選取，最小彎曲應力根據第3彎曲應力下試驗件的試驗情況靈活選取，在最小應力下，試驗件應能完成107次的彎曲疲勞試驗，最小應力值通常會在相應的管路件規范中給出。

SAE ARP1185適用于英制管路件，根據導管的材料來選取彎曲應力，對于不銹鋼和鈦合金管路件，最大彎曲應力選取245 MPa，次大彎曲應力選取175 MPa，第3彎曲應力選取161 MPa，最小彎曲應力也可根據第3彎曲應力下試驗件的試驗情況靈活選??；對于鋁合金管路件，最大彎曲應力選取140 MPa，次大彎曲應力選取70 MPa，第3彎曲應力選取56 MPa，最小彎曲應力選取方法同上。

假設管材的抗拉強度為700 MPa時，SAE MA2003和SAE ARP1185的前3個彎曲應力S剛好相同；當管材拉伸強度超過700 MPa時，MA 2003中前3個的彎曲應力S均比SAE ARP1185規定的數值大；如果管材的拉伸強度不斷增加，SAE MA2003的應力條件會更加嚴酷。2個試驗方法可根據客戶的需求靈活選取。

在SAE AS4401《56MPa可拆卸、永久連接液壓流體系統試驗規范》（Separable Fittings,Permanent Fittings, Tubing，Fluid Systems 8ksi qualification Test Standard for，56MPa）、SAE AS6116《10.5MPa鋁合金連接軸向擠壓無擴口管路流體系統規范》（Aluminum Fittings，Axially Swaged Tube with Flareless Separable，Fluid System Up to 10.5MPa Maximum，Specif i cation for）、SAE AS4459《21～28MPa流體系統外擠壓管路件規范》,（Externally Swaged，Specification for Fittings，Tube，Fluid System（21～28MPa Rated Pressure））等管路件規范中，對不同壓力管路件的S-N曲線彎曲疲勞的判據做了較為詳細的說明，S-N曲線彎曲疲勞試驗的判據由彎曲疲勞S-N曲線圖譜和對照表組成。以SAE AS4459為例，其彎曲疲勞S-N曲線圖譜和對照表如圖3和表1所示，彎曲疲勞試驗判據圖譜是彎曲應力S和彎曲循環次數N的函數關系，根據彎曲疲勞試驗的經驗，在S-N坐標系中，以等同的區間分布為原則，繪制了12條比對曲線，編號分別為0、0.5、1、1.5、2、2.5、3、4、5、6、7、8以方便結果的比對。在彎曲疲勞的判據對照表中給出了不同規格常用材料管路件（鋁合金、鈦合金和不銹鋼）合格要求，分為兩個方面：一是在表中規定的最小應力下，彎曲疲勞試驗至少完成107次壽命循環；二是規定了在其他應力下彎曲疲勞循環次數應不低于彎曲疲勞圖譜中曲線上的理論值。例如：外徑為1.0 in的鋁合金管路件，從對照表查出，該規格管路件除滿足在應力為4.0 ksi時應完成107次的彎曲循環外，還應滿足在其他應力條件下的循環次數應不低于第8號曲線；再例如公稱外徑為0.25 in的管路件，除滿足在應力為4.0 ksi時應完成107次的彎曲循環外，還應滿足在其他應力條件下的循環次數應不低于第6.6號曲線，而在圖譜中看不到6.6號曲線，此時需將第6號曲線和第7號曲線之間的區間進行10等分，取出第6.6號曲線。

圖3 SAE AS4459中彎曲疲勞試驗圖譜

在SAE中，S-N曲線彎曲疲勞數據庫類標準是SAE AIR1418《導管連接彎曲疲勞強度》（Flexure Fatigue Strength of Tube Fitting Joints），該標準于2013年修訂，標準中的S-N曲線數據庫是基于不銹鋼無擴口錐套式管路件的全規格試驗數據構建，壓力級別21 MPa，數據庫可為其他壓力級別和不同類型不銹鋼管路件的彎曲疲勞壽命提供參考。鈦合金和鋁合金數據在標準并未展現。鈦合金管路件近年來研制進度很快，國外著名的管路件公司，如Permaswage，Eaton等，在21 MPa級別以上的鈦合金管路件研發過程中，積累了大量S-N曲線彎曲疲勞試驗數據，但均未公開。

表1 SAE AS4459中彎曲疲勞試驗對照表

國內尚無S-N曲線彎曲疲勞試驗方法相關標準，HB 6442-1990《飛機液壓導管及連接件彎曲疲勞試驗》中只規定了標準彎曲疲勞試驗，即6個試驗件在規定的應力條件下應全部通過107次旋轉彎曲疲勞的考核。

航標中有2個管路件規范HB 4-1-2002《擴口管路件通用規范》和HB 5966-2008《24°無擴口導管連接件通用規范》。HB 4-1-2002的4.4檢驗方法中未規定S-N曲線彎曲疲勞試驗，事實上，由于導管的擴口，導致導管壁減薄，擴口管路件在導管連接處的徑向彎曲載荷承受能力低于同壓力級別的無擴口管路件，擴口管路件通用規范中增加S-N曲線彎曲疲勞試驗考核顯得十分必要；HB 5966-2008中規定S-N曲線彎曲疲勞試驗可替代標準彎曲疲勞試驗，但沒有詳細給出應力水平的選擇方法和28MPa級別下的公制S-N曲線彎曲疲勞試驗的判據。

1.3 公制S-N曲線彎曲疲勞試驗判據建立

試驗方法上，可根據試驗的要求靈活選用SAE MA2003和SAE ARP1185。在美標體系中，并未給出公制管路件S-N曲線彎曲疲勞試驗判據。因此需將英制的彎曲疲勞圖譜和對照表分別轉化為公制形式。仍以SAE AS4459為例，通過用MATLAB對圖3進行數學模型分析，彎曲疲勞S-N曲線圖譜的各條曲線符合指數函數模型，根據7 MPa≈1 ksi的壓力公英制轉換關系，求得21 MPa～28 MPa管路件的12條公制彎曲疲勞S-N曲線圖譜如圖4所示。

根據1 in≈25.4 mm的尺寸公英制轉換關系，將表1轉換為21 MPa～28 MPa壓力級別公制不同管徑不

同材料的S-N曲線彎曲疲勞判據，如表2所示。

2 鈦合金彎曲疲勞試驗件典型失效分析

2.1 斷裂過程

本文在建立公制S-N曲線彎曲疲勞試驗體系的基礎上，對某廠生產的大量不同規格公制鈦合金管路件S-N曲線彎曲疲勞試驗，分析了鈦合金管路件典型的斷裂過程。將斷裂的管路件從試驗臺上取下，清潔斷口后，用金相顯微鏡觀察管路件斷裂位置的剖面，如圖5所示，上部零件是導管壁，下部零件是管套凹槽。從圖中可以看出，導管的斷裂位置在管接頭凹槽棱角處，這是由于凹槽棱角處較為尖銳，導管在彎曲疲勞應力作用下，被迫與凹槽的棱角相互作用，導致導管表面形成應力集中區，該應力集中區成為疲勞裂紋形成的疲勞源。

圖4 SAE AS4459中彎曲疲勞試驗圖譜

圖5 鈦合金管路件彎曲疲勞典型斷裂位置

國外管路件公司管接頭設計中針對凹槽的棱角的倒角規定范圍是：0.005 in ～0.010 in，而國內尚未關注未對凹槽的倒角進行有效的控制導致管路件失效問題。

表2 21MPa～28MPa公制管路件的S-N曲線彎曲疲勞判據

2.2 管路件失效分析

將斷裂后的試驗件的斷面用掃描電鏡觀察，其電鏡圖片如圖6所示。

圖6 失效管路件的導管斷裂面掃描電鏡圖片

從圖6（a）中可以看出，導管的斷裂是沿著導管徑向，從外表面向內部斷裂，導管在斷裂過程中形成了疲勞斷裂帶，從圖6（b）中可以看出，在導管的內管壁上出現了較多的微裂紋，微裂紋的出現可能是因為導管的內壁的粗糙度不均勻，在內部液壓的作用下，微裂紋從內表面的溝壑開始沿著徑向向外部擴展；在彎曲疲勞應力作用下，導管外表面的裂紋向內部擴展，在內外裂紋不斷擴展下，導管壁厚不斷減小，當壁厚不足以承受28 MPa的內部液壓和外部彎曲應力時，導管發生了突然斷裂。

3 S-N曲線彎曲疲勞試驗若干建議

依據國外S-N曲線彎曲疲勞試驗體系，建立公制S-N曲線彎曲疲勞試驗標準體系，包含試驗方法，不同壓力下的S-N曲線彎曲疲勞試驗判據，應在試驗過程中不斷積累相關試驗數據，建立類似SAE AIR1418的公制S-N曲線彎曲疲勞試驗數據庫。

通過某廠28MPa鈦合金管路件的S-N曲線彎曲疲勞試驗，經失效分析，建議提高管路件彎曲疲勞壽命的措施有：應有效的控制管套內部凹槽的倒角大??；嚴格控制導管內壁的粗糙度，可采用噴丸的方式，對導管內壁進行表面強化，并使得內壁的粗糙度均勻化，從而減小在內部液壓下裂紋擴展的機會；在預裝導管時，應控制導管和管接頭直徑的空隙量，在保證密封的前提下，盡可能的減小外擠壓應力，減小導管的塑性變形。