【正文】 紅外分析儀等具有世界先進(jìn)水平的設(shè)備，培養(yǎng)引進(jìn)了具有博士、碩士及大學(xué)學(xué)歷具有高級(jí)、中級(jí)技術(shù)職稱的專業(yè)　技術(shù)人員開(kāi)始開(kāi)展失效分析工作。下面通過(guò)幾個(gè)實(shí)例來(lái)看失效分析在適航和維修中的作用。 我國(guó)的波音 747一 SP型飛機(jī)在 89年時(shí)出現(xiàn)了一次機(jī)翼前梁腹板的上緣處開(kāi)裂事件，整個(gè)裂紋長(zhǎng)達(dá) 660毫米。當(dāng)時(shí)斷裂件送制造廠分析，結(jié)論是由于聲音而引起的疲勞裂紋。 2年后 ,在同型號(hào)的另一架飛機(jī)上的相同位置又發(fā)生了形狀完全相同長(zhǎng)度更長(zhǎng)的裂紋，送制造廠分析后結(jié)論相同，但適航部門(mén)感到這二次故障的現(xiàn)象十分相似，而且考慮到發(fā)生位置的危害性，利用剛剛成立安裝完的設(shè)備開(kāi)展了分析工作。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)裂紋產(chǎn)生的位置是在機(jī)翼前緣上梁，并處于發(fā)動(dòng)機(jī)前吊掛處。產(chǎn)生這種裂紋的主應(yīng)力不是飛行中的應(yīng)力，而是飛機(jī)著陸過(guò)程中由于重力引起的瞬間高應(yīng)力。同時(shí)在裂紋起源處找到了產(chǎn)生應(yīng)力集中的缺陷。整個(gè)裂紋上沒(méi)有聲音疲勞的斷裂特征。因此我們認(rèn)為是因構(gòu)件上有制造而產(chǎn)生的應(yīng)力集中點(diǎn)，在著陸的載荷的作用下，引起了低循環(huán)疲勞斷裂。為了避免產(chǎn)生此類(lèi)裂紋，應(yīng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上改進(jìn)和避免制造過(guò)程中產(chǎn)生應(yīng)力集中點(diǎn)。此結(jié)論得到波音公司的認(rèn)可，并采取了必要的防止方法。在某航空公司所執(zhí)管的 BAe一 146飛機(jī)上多次發(fā)現(xiàn)輪轂內(nèi)的裂紋。該公司將轂送來(lái)希望能確定失效原因。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)在裂紋源區(qū)有較嚴(yán)重的晶間腐蝕現(xiàn)象。同時(shí)在內(nèi)表面漆層脫落的應(yīng)力集中的尖角處也存在著程度不同的晶間腐蝕現(xiàn)象。分析后得出因有腐蝕介質(zhì)的流入而引起應(yīng)力腐蝕疲勞開(kāi)裂。在一般情況下，輪轂內(nèi)不應(yīng)接觸到腐蝕性介質(zhì)。只有在清洗飛機(jī)或維護(hù)不當(dāng)時(shí)可能產(chǎn)生腐蝕介質(zhì)的流入，在缺少漆層保護(hù)的應(yīng)力集中處產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋。因此需在維護(hù)上注意，避免產(chǎn)生上述現(xiàn)象。我國(guó)發(fā)生的 MD一 82飛機(jī)主起落架折斷事件，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)此起落架存在著較嚴(yán)重的不符合要求的粗大晶粒。分析認(rèn)為是因缺少道墊處理工序而引起的粗大晶粒。這種粗大晶粒使起落架的抗疲勞性能下降，引起了疲勞斷裂。據(jù)此結(jié)論適航工程部門(mén)要求全面檢查，同時(shí)派一個(gè)工作小組與制造廠進(jìn)行分析討論產(chǎn)生粗大晶粒的原因和防止方法。在討論中制造廠認(rèn)為此事件與英國(guó) AIRTOVRS公司所發(fā)生的事件相同，已有結(jié)論，即剎車(chē)過(guò)急加上節(jié)流閥原因而引起的。但由于我們已經(jīng)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，我們例舉了大量的斷口上的證據(jù)來(lái)說(shuō)明與英國(guó)事件的不同性。斷口特點(diǎn)的形態(tài)及種種與英國(guó)事件的不同性均證實(shí)了缺少鍛造后的正火處理。經(jīng)反復(fù)討論及又進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)后，制造廠承認(rèn)了我們的結(jié)論，并開(kāi)始通過(guò)記錄查找原因。為什么會(huì)產(chǎn)生這種差錯(cuò)；產(chǎn)生差錯(cuò)的起落架有幾件，安裝在那架飛機(jī)上；研究這種缺陷對(duì)其疲勞性能會(huì)有多大影響等工作。并制定了可行的檢查方法，從而從根本上消除這種事故隱患。 近幾年我國(guó)使用的飛機(jī)多次發(fā)生電子艙、貨艙著火事件，其直接原因是因?qū)Ь€短路的火花而引起的。但適航部門(mén)已經(jīng)注意到了這種事件已構(gòu)成重復(fù)性、多發(fā)性故障。并注意到它對(duì)航空安全的危害。為此適航部門(mén)進(jìn)行了專項(xiàng)研究經(jīng)研究。發(fā)現(xiàn)機(jī)艙內(nèi)的隔音／隔熱墊的外包覆層不阻燃。為此適航部門(mén)頒發(fā)了適航管理文件要求各航空公司加強(qiáng)檢查，同時(shí)將此問(wèn)題通報(bào)了 FAA，希望FAA協(xié)助徹底解決此問(wèn)題。從以上幾個(gè)例子中可以看出，在使用中發(fā)生了不正常的失效件需對(duì)其進(jìn)行深入的分析。因?yàn)槿魏我粋€(gè)失效件上都帶有大量的信息，它客觀地反映了失效的起始、發(fā)展、變化的全過(guò)程．通過(guò)對(duì)失效件的分析可準(zhǔn)確地找出導(dǎo)致失效的原因及外部環(huán)境的影響因素，確定其薄弱環(huán)節(jié)，制定設(shè)計(jì)、制造、維護(hù)、使用中的改進(jìn)措施，最終達(dá)到保證民用航空安全。失效分析結(jié)果反饋到相關(guān)部門(mén)后，將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益。二、民航總局適航中心的航空材料分析室成立及組成情況 1992年 9月 26日，民航總局批準(zhǔn)由適航中心正式組建航空材料失效分析室（為了方便與航空 界的失 效分析部門(mén)聯(lián)系，現(xiàn)稱航空材料失效分析室）。航空材料失效分析室的職責(zé)負(fù)責(zé)民用航空器重要失效件的分析和研究；負(fù)責(zé)航空產(chǎn)品的失效預(yù)防研究；參與民用航空器事故和重大多發(fā)性故障的調(diào)查及分析；參與國(guó)內(nèi)外失效分析的合作與交流。航空材料失效分析室的人員狀況根據(jù)航空材料失效分析室的工作特點(diǎn)，需配備有豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)技術(shù)全面的專業(yè)技術(shù)人員。到目前為止，共調(diào)人六名正式分析人員和一名特聘的失效分析專家（退休返聘），六名正式人員 分別具有大學(xué)或碩士或博士后學(xué)歷及高級(jí)或中級(jí)技術(shù)職稱；分別具有航空制造業(yè)的經(jīng)驗(yàn)或航空維修業(yè)的經(jīng)驗(yàn)；受聘于國(guó)家勞動(dòng)部的安全評(píng)審專家組成員；受聘于民航總局事故調(diào)查員。航空材料失效分析室的設(shè)備在民航總局領(lǐng)導(dǎo)的關(guān)心下，在適航司和適航中心領(lǐng)導(dǎo)的幫助下，配置了一套失效分析最常用的分析儀器及設(shè)備。設(shè)備配置原則是基本分析設(shè)備要求全套并具有世界先進(jìn)水平，特殊分析利用大專院?；蚩蒲袉挝坏脑O(shè)備進(jìn)行。第 2章 鋼的 合金化 基礎(chǔ)為什么從鋼的合金化講起？鋼鐵是最常用最主要的工程材料，在所有金屬材料中人類(lèi)對(duì)鋼鐵的研究時(shí)間最長(zhǎng)，最深入，最系統(tǒng)。對(duì)所有金屬材料合金化的具有普遍意義。所有金屬、合金包括陶瓷材料在組織性能的改善以及性能的提高方面都可借鑒鋼鐵方面的一般規(guī)律和研究成果。重點(diǎn)在于建立鋼的成份－組織－性能關(guān)系的一般模型。一、鋼的合金化在鋼中加入合金元素，與鋼中的鐵、碳發(fā)生作用，改善組織結(jié)構(gòu)和工藝性能，提高使用性能。二、為什么發(fā)展合金鋼？ 改善提高鋼的性能，彌補(bǔ)碳鋼的不足。如有些特殊條件下的使用要求：韌性、耐蝕、抗氧化、耐磨、高溫強(qiáng)度等，車(chē)削速度較高的刀具要求紅硬性，大尺寸零件要求高的淬透性 …這時(shí)碳鋼已不能滿足要求。鋼的合金化原理內(nèi)容相當(dāng)廣泛，包括不同合金元素的不同作用，不同合金元素的交互作用，不同合金元素在不同熱處理工藝、 C含量、雜質(zhì)含量條件下的不同行為 …合金化基礎(chǔ)：合金元素與 Fe、 C的基本作用，一般規(guī)律，即共性。主要內(nèi)容分為以下 5個(gè)方面：1)鋼中合金元素及其分類(lèi)。2)合金元素與鋼中鐵和碳的相互作用。3)鋼的強(qiáng)化。4)改善鋼的塑性與韌性的途徑。5)合金元素對(duì)鋼的相變和熱處理工藝性能的影響第一節(jié) 鋼中的合金元素及其與鐵和碳的相互作用一、鋼中合金元素的分類(lèi)鋼中常加入的合金元素有：第二周期：硼、碳、氮；第三周期：鋁、硅；第四周期：鈦、釩、鉻、錳、鈷、鎳、銅；第五周期：鋯、鈮、鉬；第六周期：鎢；第七周期：稀土元素。硫、磷等元素通常作為有害元素看待，但有時(shí)也可當(dāng)作合金元素 (如在易切削鋼中硫被用來(lái)改善切削性能 )。(一 )按照與鐵相互作用的特點(diǎn)分類(lèi) 合金元素與鐵的相互作用主要是影響鐵的同素異構(gòu)結(jié)構(gòu)。Fe的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：奧氏體 (A)： C溶于 γ－ Fe，面心立方， C溶解度大；鐵素體 (F)： C溶于 α－ Fe，體心立方， C溶解度小。1)奧氏體形成元素 :如碳、氮、鎳、錳、銅、鈷等。穩(wěn)定和擴(kuò)大 A區(qū)，優(yōu)先分 布于 A中。2)鐵素體形成元素 :如鉻、硅、釩、鈦、鉬、鎢、鈮、鉭、鋁、鋯等。穩(wěn)定和擴(kuò)大 F區(qū)，優(yōu)先分布于 F中。但合金元素的實(shí)際分布還與加入量和熱處理?xiàng)l件有關(guān)。(二 )按照與碳相互作用的特點(diǎn)分類(lèi)1)非碳化物形成元素：如鎳、銅、硅、鋁、磷等。 易溶入 F或 A中2)碳化物形成元素： 如鉻、鉬、鎢、釩、鈦、鋯、鈮等。 易與 C形成碳化物，但加入數(shù)量較少時(shí)也可溶入固溶體 或滲碳體(三 )按照對(duì) A層錯(cuò)能的影響分類(lèi)1)提高 A層錯(cuò)能的元素：如鎳、銅、碳等。2)降低 A層錯(cuò)能的元素：如錳、鉻、釕、銥等。 A的層錯(cuò)能低，利于位錯(cuò)擴(kuò)展 → 形成層錯(cuò) → 滑移困難 → 加工硬化趨勢(shì)增大二、鋼中合金元素的分布1．形成非金屬夾雜： 與鋼中的 O、 N、 S、 Si等結(jié)合形成化合物，殘留在鋼中。使塑性、韌性和疲勞強(qiáng)度的降低，還降低耐磨性、耐蝕性，并影響淬透性。其危害性與夾雜物的成分 (性能）、形狀、大小、數(shù)量和分布有關(guān)。但 AlN可彌散與鋼中，提高鋼的性能。2．溶入固溶體：溶于 F、 A和 M中。不同元素在不同的組織中溶解度不同。3．形成強(qiáng)化相：4．自由存在：某些合金元素如銀和鉛等，既不溶于鐵中基體中又不與之形成化合物，而以游離狀態(tài)存在于基體中。存在形式?jīng)Q定于？三、合金元素與鐵、碳的相互作用(一 )合金元素與鐵的相互作用按照 合金元素與鐵的相互作用所形成的二元 狀態(tài)圖 的不同形式，可將合金元素分為 兩大類(lèi) ：為什么有的合金元素?cái)U(kuò)大 γ 區(qū)，而有的縮小 γ 區(qū)呢 ? 取決于：點(diǎn)陣類(lèi)型、原子尺寸、電子結(jié)構(gòu)和電化學(xué)等因素合金元素含量高到形成 σ 相，合金將嚴(yán)重發(fā)脆。合金元素與鐵的相互作用的工程實(shí)際意義： 為了保證鋼具有良好的耐蝕性 (如不銹鋼 )，需要在室溫下獲得單一相組織，就是運(yùn)用上述合金元素與鐵的相互作用規(guī)律，通過(guò)控制鋼中合金元素的種類(lèi)和含量，使鋼在室溫條件下獲得單相奧氏體或鐵素體等單一組織來(lái)實(shí)現(xiàn)。 例如，為了獲得奧氏體型不銹鋼，通常向鋼中加人大量的 Ni、 Mn、 N等奧氏體形成元素；為獲得鐵素體型不銹鋼，通常向鋼中加入大量的 Cr、 Si、 A Mo、 Ti等鐵元素形成元素。 同時(shí)向鋼中加入兩類(lèi)元素時(shí)，其作用往往相互抵消。但也有例外，如鉻是鐵素體形成元素，當(dāng)鋼中含 wcr18% 與鎳同時(shí)加入時(shí)卻促進(jìn)奧氏體的形成。(二 )合金元素與碳的相互作用 是形成碳化物，還是形成固溶體？ 取決于形成碳化物的趨勢(shì)及其含量。 xC＋ yM＝ MxCy△ G 非碳化物形成元素 ：如鎳、銅、硅、磷、鋁、鈷等。碳化物形成元素 ：如鈦、鈮、鋯、釩、鉬、鎢、鉻、錳等。 非碳化物形成元素易溶入鐵素體和奧氏體等固溶體中；而碳化物形成元素易于溶入碳化物中。如加入少量碳化物形成元素時(shí)，它也可以溶入固溶體中，或溶入滲碳體中形成合金滲碳體等，當(dāng)加入數(shù)量較多時(shí)，形成特殊碳化物。 碳化物形成元素在周期表中都是 過(guò)渡族元素 （次 d層未排滿）：次 d層越不滿，形成碳化物的趨勢(shì)越強(qiáng)，碳化物越穩(wěn)定。 另外，熱處理方式 → 影響擴(kuò)散條件 → 影響碳化物種類(lèi)2.碳化物特性碳化物 是鋼中 最重要的強(qiáng)化相 → 提高強(qiáng)度、硬度 。碳素鋼、合金鋼 , 鎳基、鈷基等高溫合金中碳化物的強(qiáng)化作用都占有相當(dāng)重要的地位。因此，應(yīng)對(duì)碳化物的特性作進(jìn)一步分析。根據(jù)合金鋼中常見(jiàn)的碳化物種類(lèi)，主要有以下幾個(gè)方面特性：(1)硬度：碳化物具有 高硬度 ，其 形成碳化物的傾向性越強(qiáng)，其硬度越高 。如 TiC，硬度最高。(2) 穩(wěn)定性： 熔點(diǎn)、分解溫度、溶入固溶體難易穩(wěn)定性高 → 難以集聚長(zhǎng)大、強(qiáng)化效果好 → 提高回火溫度、高溫使用性能提高回火溫度 ：使基體組織恢復(fù)充分，殘余 A少，碳化物彌散，鋼塑性、韌性、強(qiáng)度好。高溫使用 ：在溫度及應(yīng)力長(zhǎng)期作用下不易集聚長(zhǎng)大 → 提高材料使用壽命。一般，形成碳化物能力越強(qiáng)的元素，碳化物熔點(diǎn)高，穩(wěn)定性亦大。 Fe3C→M 23C6→M 6C→MC 穩(wěn)定性升高。但碳化物穩(wěn)定，溶入 A的溫度高，自 M中分解出來(lái)的溫度亦高，使用鍛造 及熱處理方法改變碳化物相的分布狀況變得困難。穩(wěn)定性又指：碳化物和基體 (固溶體 )之間不易因原子擴(kuò)散而發(fā)生 合金元素 的再分配 。許多碳化物形成元素同時(shí)也是有效的強(qiáng)化固溶體的元素 (如鉻、鉬、鎢等 )。故在經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚碇?，固溶體和碳化物間應(yīng)保持最佳的合金元素含量分配率，以保證高的綜合性能 (如強(qiáng)度與塑性，強(qiáng)度與耐蝕性 )。（ 3）溶解 碳化物具有一定的金屬特性，所以其成分不是很固定，而是常常以其分子式所代表的化合物為基底，固溶各種合金元素。如： Fe3C能溶解大量的合金元素。在回火最初階段所形成的 Fe3C，既有碳化物形成元素溶入，又有非碳化物形成元素溶入；只是在提高回火溫度或延長(zhǎng)回火時(shí)間時(shí)，碳化物形成元素向 Fe3C中固溶越來(lái)越多，而非碳化物形成元素固溶越來(lái)越少。： 一方面 關(guān)系到所形成碳化物的種類(lèi)、性質(zhì)和在鋼中的分布，而所有這些都會(huì)直接影響到鋼的性能 ，如鋼的強(qiáng)度、硬度、耐磨性以及塑性、韌性、紅硬性和某些特殊性能；同時(shí)對(duì)鋼的 熱處理 亦有較大影響，如奧氏體化的溫度和時(shí)間、奧氏體晶粒長(zhǎng)大等。另一方面 由于合金元素與碳有著不同的親和力，對(duì)相變過(guò)程中碳的擴(kuò)散速度有較大影響；碳化物形成元素阻礙碳的擴(kuò)散，降低碳原子的擴(kuò)散速度；弱碳化物形成元素及大多數(shù)非碳化物形成元素則無(wú)此作用，甚至某些元素 (如鈷 )還有增大碳原子擴(kuò)散的作用。因而，合金元素與碳的作用 對(duì)鋼的相變有重要的影響 。四、合金元素對(duì)奧氏體層錯(cuò)能的影響(一 )合金元素的影響趨勢(shì)目前有關(guān)合金元素對(duì)奧氏體層錯(cuò)能的影響規(guī)律尚不完全清楚。但對(duì)以下元素的影響趨勢(shì)看法一致：鎳、銅和碳提高 A層錯(cuò)能，錳、鉻、釕和銥降低之。 (二 )奧氏體層錯(cuò)能對(duì)鋼的力學(xué)性能影響 層錯(cuò)能低 → 有利于位錯(cuò)擴(kuò)展和形成層錯(cuò) → 使橫滑移困難 → 鋼的加工硬化趨勢(shì)增大 。所以 A層錯(cuò)能的高低將會(huì)直接 影響到奧氏體鋼的力學(xué)行為 。如：高鎳鋼和高錳鋼，雖然錳和鎳都是 A形成元素，單獨(dú)加入相當(dāng)數(shù)量的鎳和錳都可使鋼在室溫下獲得單相 A，但卻發(fā)現(xiàn)鎳鋼易于變形加工；而錳鋼的冷變形性能很差，有很高的加工硬化趨勢(shì)與耐磨性。 (三 )奧氏體層錯(cuò)能對(duì)鋼相變行為的影響A層錯(cuò)能的高低，對(duì) FeNiC合金中 M的形態(tài)有直接影響。通常， A層錯(cuò)能越低越易于形成板條