从《中国机长》 看残余应力对航空构件影响

2018年5月14日，川航3U8633航班，在从重庆飞拉萨途中，发生驾驶舱挡风玻璃爆裂，不得不紧急返航，备降于成都双流机场。2019年，博纳影业将这一事件搬上大荧幕，拍出了电影《中国机长》。

毫无疑问，《中国机长》自然是让人热血沸腾的，不过在这惊心动魄背后，还有更多细节值得解读。比如，造成这次风挡玻璃脱落的真正原因是什么呢?

国内专家分析，原因可能有三点：

• 1、材料原因，比如制造风挡玻璃材料质量不合格，材料提前老化;
• 2、工艺安装原因，安装、维修风挡玻璃，维修人员未参考飞机维修手册使用标准的螺丝钉;
• 3、安装风挡玻璃过程中受力不均，使风挡玻璃内部存在较大的装配应力。当外载应力与装配应力叠加时超过了风挡玻璃材料的屈服强度而破裂。

仔细分析这三点原因，材料和工艺安装问题微乎其微，毕竟以航空行业的严谨性，材料及安装流程都有严格标准，因此应力在所有因素中“脱颖而出”。

实际上，这并不是第一例因应力问题造成的航空事故。2002年5月，华航空难造成225人死亡，罪魁祸首就是飞机尾部的裂纹在应力腐蚀作用下的快速扩展。应力作为航空构件的“慢性杀手”，不得不防!

华航空难

航空制造业 需加强对残余应力的重视

残余应力是指在不考虑外力或不均匀温度场等作用的条件下仍留存在物体内自相平衡的内应力。其产生的根本原因是物体内部发生了不均匀的塑性变形;而产生不均匀塑性变形的主要原因有不均匀的机械变形、不均匀的应力场和温度场等。

为什么航空行业要特别重视残余应力呢?

这是因为航空制造业在材料、结构和工艺等方面具有鲜明的行业特征。

首先，航空构件通常是由预拉伸厚板或整体模锻件经机加工而成，加工量很大，加工精度要求高，加工变形控制难度大，因而在这些环节下残余应力的影响更显著和重要，需要予以格外的关注。

其次，航空零部件制造中广泛铝合金，在成型与热处理过程中常常产生很大的残余应力，容易导致加工变形，造成早期疲劳失效。

再者，飞机在起降和飞行的过程中，结构零部件均需要在复杂甚至恶劣的环境下工作。这些都是残余应力产生的关键诱导因素。

飞机上哪些部位需特别注意?

在飞机上，残余应力的危害主要表现在应力腐蚀及疲劳裂纹两方面，集中于飞机结构零部件和航空发动机零部件。

应力腐蚀指受到拉伸应力作用的金属材料在某些特定的介质中，由于腐蚀介质和应力的协同作用而产生滞后开裂或滞后断裂的现象。

应力腐蚀一般出现在两个地方：首先是机身及蒙皮连接、框架、桁条、压力隔框、面梁、舱门平衡弹簧等部件;其次是航空发动机。这些部位的共同性在于容易接触冷凝水，同时长时间承受拉伸应力，从而发生应力腐蚀断裂。

飞机输送管路发生应力腐蚀开裂 

疲劳裂纹是金属材料在较低周明性应力作用下产生的开裂，并可快速导致结构部件失效。

疲劳裂纹容易出现在以下区域：増压边界结构;在周期性増压载荷作用下，横截面变化处;登机门、货门等机身大开口处，承受较大应力的压力隔框;暴露于外部，容易遭受外来机械损伤产生应力集中点处。

压气机叶片的应力腐蚀

残余应力有害或有益?需结合检测技术判断

从上述可知，过大的残余应力可能导致构件的变形甚至开裂，造成构件早期的失效;残余应力还会对材料构件的静载强度、抗疲劳强度、尺寸稳定性以及应力腐蚀开裂等产生不利影响。

看起来残余应力危害挺多，但也并非百害而无一利。实际上，适当的、分布合理的残余压应力能够提高工件疲劳强度和抗应力腐蚀能力，从而延长其使用寿命。因此，残余应力的分布是否合理，压力值是否适当，成为一个重要的考核标准，这就需要结合到残余应力的检测。

目前，残余应力的检测一般分为有损检测和无损检测。对于一些大体积、低成本的部件，或许可以牺牲一部分来进行有损检测，比如盲孔法，以得到检验结果。但是对于航空航天工业中使用的小体积、高成本的部件，这并不是一种可行之道。

目前，无损检测技术广泛地应用航空航天工业。无损检测方法在检测部件时不会破坏材料，可节约制造成本，结合检验数值，帮助航空公司发现工艺流程中的问题，优化工艺，是检测飞机金属疲劳和材料应力问题的重要工具。

关于无损检测技术的相关知识，我们在以往的文章也有提到，详情请戳“如何消除、均化切削加工表面的残余应力?” ，在此不做累述。

如何挑选残余应力检测机构?

明白了残余应力检测的重要性，接下来就是挑选靠谱的检测机构。对于残余应力的检测，目前市场上机构良莠不齐。正所谓专业的事交给专业的人做，如何判断检验机构是否正规?主要有三点：

(1)、查看证书

如同招聘时挑选人才，先看学历，这是社会对其最直观的肯定，检验机构也一样。检验机构必须有国家CNAS等授权。没有国家CNAS等授权的检测机构出具的证书权威性很低，很难受到认可。

(2)、看硬件设备

产品应力检测的正确性，离不开专业的仪器设备。检验机构的综合实力及设施是企业选择的重要标志之一。

(3)、看服务与专业度

一个好的检验机构，必须要有良好的服务和专业的知识技能，懂得客户对产品检测的要求，也能根据客户需求提供专业服务。

作为一家专业的残余应力与变形控制服务商，北京翔博科技通过国家CNAS认证及国家高新技术企业认证，能够为客户提供具有公信力的检验报告，确保检测结果的专业性与权威性;

硬件方面，翔博科技拥有先进的X射线行射法残余应力分析仪，包括加拿大Proto iXRD型应力仪、芬兰 AST XStress 3000型应力仪、日本Rigaku的AutoMATE Ⅱ大功率微区应力仪和SmartSite RS便携式应力分析仪等先进仪器;

软件方面，翔博坚持自主研发，拥有固体力学、材料力学、无损检测、机械制造、控制工程等专业人员组成的技术团队，与北京航空航天大学成立残余应力与变形加工控制联合实验室，并依托实验室的研究力量成立北京翔博科技股份有限公司检测中心。