軟油箱襯盤斷裂分析

邊 飛 宋紅梅

（陜西飛機工業有限責任公司，陜西 漢中 723215）

橡膠材料具有軟而韌的特點使其在密封、隔振、減振方面得到廣泛的應用，目前飛機液壓、燃油等系統的密封基本上都采用橡膠密封件[1]。橡膠由于自身特性的限制，純橡膠基體的密封件常出現機械性破壞、老化、龜裂、化學浸蝕、局部燒蝕、局部碳化、表面磨損、扭曲變形等問題，導致密封件失效[2]。為了改善橡膠密封件在工程應用中的失效問題，以金屬骨架為基體，在其周圍壓鑄一層橡膠而成的密封件應運而生。該類密封件已被廣泛用于飛機軟油箱襯盤處。

襯盤位于軟油箱之間的連接口處，其兩端由兩個法蘭盤固定。襯盤由內部鋁合金骨架和外層包裹橡膠組成，鋁合金骨架的材料牌號為2A12-T351，橡膠的材料牌號為5871。某型飛機服役后，軟油箱的襯盤發生斷裂，對飛機的安全性能帶來極大的危害。本文通過斷口觀察分析、顯微組織檢驗、化學成分分析及硬度檢驗等方法探究襯盤的斷裂原因及機理，探尋改進預防措施。

1 試驗過程及結果

1.1 斷口宏觀觀察

襯盤斷口有外層的橡膠斷口和內部的鋁合金骨架斷口兩個部分組成（圖1）。襯盤的斷裂位置在定位的盲孔位置，此處存在截面突變。橡膠斷口附近無發白、龜裂等現象。橡膠斷面十分平滑，分布許多粗大的放射棱線，棱線收斂的源區呈現多源特征。橡膠斷面的放射棱線收斂于橡膠的上表面，即為橡膠斷裂的源區在圖1 中的箭頭位置，橡膠斷裂的擴展方向是由上而下。鋁合金斷口無鋁合金的白亮金屬光澤，呈灰白色。整個斷口表面較粗糙，邊緣無剪切唇，呈脆性斷口特征。在鋁合金盲孔左端斷面上有一條貫穿性的裂紋。

圖1 斷口宏觀形貌

1.2 斷口微觀觀察

橡膠斷口的源區形貌見圖2(a)。斷裂源見圖2(a)中箭頭所指，由源區向外有許多放射棱線，斷面光滑，未見材質、工藝缺陷。橡膠源區微觀形貌呈直接加載下的韌性斷裂特征，在源區形成大約50 μm 寬線源，慢速擴展階段形成的粗糙區見圖2(b)，快速擴展階段形成的光滑區見圖2(c)，光滑區有放射棱線分布。

圖2 橡膠斷口微觀形貌

鋁合金斷口的微觀形貌顯示整個斷面結構粗糙，呈現顆粒狀或“巖石狀”，斷口呈現沿晶斷裂特征。鋁合金斷口的斷口源區微觀形貌見圖3(a)所示。源區斷口呈現沿晶斷裂特征，斷面處有一條貫穿的裂紋。裂紋縫隙中有一層橡膠，裂紋的右端為鋁合金斷裂的起源處。鋁合金斷裂起源處沿晶分離面干凈、平滑、晶粒輪廓鮮明、無微觀塑性變形特征，為典型的沿晶脆性斷裂特征，端口的微觀形貌見圖3(b)所示。擴展區的微觀形貌呈現沿晶韌性斷裂特征，沿晶的晶粒上有細小的方向向下的剪切韌窩見圖3(c)。

圖3 鋁合金斷口微觀形貌

1.3 顯微組織檢驗

1.4 化學成分分析

通過對襯盤的鋁合金部分的化學成分分析，其結果（見表1）符合GB/T3190 標準值的要求。

表1 化學成分分析結果(質量分數/%)

襯盤的鋁合金部分的顯微組織見圖4 所示。顯微組織觀察到晶界局部出現復熔加寬現象，存在復熔共晶球，在三個晶粒交界處出現三角形復熔區等特征。表明襯盤的鋁合金部分的顯微組織為過燒組織，顯微組織不合格。

圖4 襯盤的顯微組織

1.5 硬度檢驗

對襯盤的橡膠部分進行邵氏A 型硬度檢驗，結果為66HA，符合65～75HA 的設計要求。

2 分析與討論

2.1 橡膠斷口的分析

襯盤的橡膠部件在截面突變的定位孔處斷裂，斷口比較光滑，放射棱線明顯，呈多源斷裂特征。斷口源區位于定位孔的上表面，斷裂可分為慢速擴展和快速擴展兩個階段，在慢速擴展階段留下粗糙區，而在快速擴展階段留下光滑區，斷面大部分是光滑區，這些現象表明該橡膠的斷裂性質符合直接加載下的韌性斷裂特征。

非金屬件失效主要機理有老化失效和機械失效兩種，老化失效主要是由環境因素引起的失效，機械失效是受到機械力或偶然外力引起的失效[3]。襯盤的橡膠斷口宏觀分析可知，橡膠斷口無龜裂、發粘、變硬、變脆等老化現象，其邵氏A 型硬度檢驗結果表明橡膠的硬度符合設計要求，不存在明顯的老化現象，因此橡膠斷裂不是橡膠老化引起的。

非金屬的機械失效模式通常有五類：(1) 直接加載下的斷裂；(2)蠕變斷裂；(3)疲勞斷裂；(4)環境應力開裂；(5)磨損磨耗[4]。

橡膠斷口的宏微觀檢驗均未發現疲勞條帶特征，所以疲勞斷裂的失效模式可以排除；斷口的宏微觀檢驗均未發現“發白”或銀紋現象，所以蠕變斷裂的失效模式可以排除；橡膠斷口無腐蝕介質環境和磨損特征，所以環境應力開裂和磨損磨耗的失效模式可以均可排除；橡膠斷口的宏微觀檢驗發現斷口有粗糙區、光滑區、大量放射棱線等特征，所以該橡膠的失效模式是直接加載下的斷裂。

直接加載下的斷裂可分為脆性斷裂和韌性斷裂兩大類。脆性斷裂通常在斷口處留下三個階段的斷裂擴展區，依次是鏡面區、平坦區、粗糙區。韌性斷裂會在斷口上依次留下粗糙區、光滑區，符合該橡膠的斷口的微觀特征，所以該斷裂屬于韌性斷裂。由于橡膠在斷裂時，橡膠分子鏈或鏈束中的薄弱點是隨機分布，在慢速擴展階段，被拉斷留下斷面比較粗糙；而在快速擴展階段，由于許多分子鏈被同時拉斷，因此留下斷面比較光滑[5]。

2.2 鋁合金斷口的分析

襯盤的鋁合金骨架在截面突變的定位孔處斷裂，斷口無塑性變形，斷面比較粗糙，整個斷面呈現沿晶斷裂特征。斷口源區位于定位孔的左端，源區沿晶分離面平滑、干凈、晶粒輪廓鮮明，為典型的沿晶脆性斷裂特征。擴展區微觀形貌呈沿晶韌性斷裂特征，晶粒上有細小的方向向下的韌窩。因此，該鋁合金骨架的斷裂性質是沿晶斷裂。

鋁合金化學成分分析結果符合標準要求。鋁合金的顯微組織觀察到晶界局部復熔加寬，有復熔共晶球，在三個晶粒交界處出現三角形復熔等變形鋁合金的過燒特征，為過燒組織。晶界的鍵合力由于組織過燒被嚴重削弱，使得晶界成為斷裂擴展優先通道而發生沿晶斷裂[6]。正常的鋁合金組織晶界的強度要強于晶內的強度，在受到破壞性的外力時首先在晶粒內部形成裂紋，而不是在晶界形成原始裂紋，原始裂紋的聚集導致裂紋的擴大，形成穿晶斷裂，典型特征為韌窩斷口特征。鋁合金組織過燒會導致晶界強度變弱，在受到破壞性的外力時，裂紋首先在晶界形成并沿著晶界擴展，呈現出顆粒狀沿晶斷口特征。鋁合金的顯微組織過燒，其中的的晶界加寬、復熔共晶球和三角晶界等過燒組織會破壞組織的連續性，使得材料本身的韌性和強度顯著降低，使材料變得脆而易斷。

斷口出現沿晶斷裂特征通常是由于失效件材料存在過燒、應力腐蝕、氫脆或回火脆[7]。鋁合金不存在氫脆或回火脆，所以可以排除這兩種因素；鋁合金應力腐蝕斷口上會出現泥紋狀花樣且晶界面上覆蓋厚厚腐蝕產物[8]，該斷口微觀觀察未發現這些特征，所以可以排除應力腐蝕因素；鋁合金顯微組織為過燒組織，微觀觀察發現斷口有過燒現象，組織過燒會使晶界強度變弱，所以鋁合金斷口出現沿晶斷裂特征的原因是鋁合金顯微組織過燒。

鋁合金斷口源區微觀圖片顯示一條貫穿裂紋中間夾雜著一層橡膠，說明該裂紋形成是在鋁合金骨架壓鑄橡膠之前，是一條原始裂紋。該裂紋位于鋁合金骨架定位孔邊沿，推測裂紋形成原因是原始鑄造缺陷或者鋁合金骨架加工過程中導致的。鋁合金的原始缺陷多出現在鑄鋁合金中，該鋁合金骨架為機加件，加工該零件的原材料為軋制鋁板，原始缺陷很少，且從圖3(a)中觀察裂紋附近組織發現不是原始缺陷。該裂紋只能是在鋁合金骨架加工過程中形成的，裂紋起源于鋁合金骨架的定位孔，因此裂紋是在加工定位孔時形成的。定位孔時鉆削加工而成的，正常的鋁合金組織具有較好的塑性，加工過程不會形成裂紋，如果鋁合金組織過燒就會變得很脆且塑性很差，容易在加工過程中形成裂紋，由此推斷該原始裂紋形成原因是組織過燒。鋁合金骨架定位孔左端存在原始裂紋缺陷，定位孔處存在截面突變加之鋁合金組織過燒導致材料強度和韌性變差，使該處成為鋁合金骨架最薄弱處，所以在受到破壞性的外力時首先在裂紋與定位孔交界處形成斷裂。

2.3 襯盤斷裂的分析

橡膠斷口和鋁合金斷口的斷裂擴展方向都是由上而下的，說明襯盤的橡膠和鋁合金斷裂是受到相同方向的剪切外力形成的。橡膠斷裂性質是直接加載下的韌性斷裂，說明襯盤在斷裂前受到較大的外力。橡膠具有較大的彈性變形能力，所以在受到較大外力時鋁合金骨架先于橡膠部分斷裂。襯盤的橡膠部件主要起密封作用，鋁合金骨架主要用于支撐和定位作用。失效件鋁合金組織過燒使材料強度變弱且脆，喪失了原有的承載能力，且有原始裂紋缺陷存在，在受到破壞性外力時發生斷裂。因此，襯盤斷裂性質是直接加載下的斷裂，斷裂原因是鋁合金骨架組織過燒。

3 結論

襯盤的斷裂性質是直接加載下的過載斷裂，斷裂原因是鋁合金骨架的顯微組織為過燒組織。鋁合金骨架顯微組織過燒使鋁合金強度和韌性顯著下降，在定位孔加工過程中形成加工裂紋；鋁合金骨架組織過燒使承載外力的能力顯著下降，在受到破壞性外力時在原始裂紋缺陷和定位孔截面突變的最弱處發生斷裂。

為了防止襯盤斷裂，發生軟油箱漏油事故，提高飛機燃油系統的安全性，應加強鋁合金熱處理工藝的控制，確保襯盤鋁合金顯微組織合格，同時要避免襯盤承受非必要的破壞性外力。