陳佳

摘 要：XXX-1型氧氣面罩檢測(cè)裝置中的5件門組件和1件鎖舌在外場(chǎng)使用過程中發(fā)生斷裂，須進(jìn)行失效分析。本試驗(yàn)利用體視顯微鏡、掃描電鏡對(duì)裂紋形態(tài)及斷口表面進(jìn)行觀察，對(duì)組件進(jìn)行金相組織檢查、硬度檢查，對(duì)其組成成分進(jìn)行紅外光譜、能譜分析。結(jié)果表明：5件門組件安裝孔附近材料斷裂模式均為脆性斷裂，斷裂原因應(yīng)與安裝孔壁受到螺套應(yīng)力作用有關(guān);圓孔（門組件邊緣）附近材料斷裂模式為塑性斷裂;門組件雙耳卡附近材料斷裂模式為疲勞斷裂;鎖舌中部變截面附近材料斷裂模式為脆性斷裂。產(chǎn)品發(fā)生脆性斷裂原因應(yīng)與產(chǎn)品長(zhǎng)時(shí)間在高溫環(huán)境下使用，發(fā)生一定的老化變脆有關(guān)。

關(guān)鍵詞：PC塑料;塑性斷裂;脆性斷裂;疲勞斷裂;老化

中圖分類號(hào)：V244.2;TB301 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2022）6-0045-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.06.010

A Failure Analysis About the Detection Equipment Door Assembly of XXX-1 Oxygen Mask

CHEN Jia

（AVIC Aerospace Life-Support Industries，Ltd.， Xiangyang 441003，China）

Abstract： Ffive door components and one lock tongue in XXX-1 oxygen mask detection device are broken during field use， so failure analysis is required. In this test， the crack morphology and fracture surface were observed by stereomicroscope and scanning electron microscope， the metallographic structure and hardness of the components were examined， and the components were analyzed by infrared spectrum and energy spectrum. The results show that the fracture modes of the materials near the mounting holes of the five door assemblies are brittle fracture， and the fracture reason should be related to the stress of the screw sleeve on the wall of the mounting hole. The fracture mode of the material near the round hole （the edge of the door assembly） is plastic fracture. The fracture mode of the material near the double ear clamp of the door assembly is fatigue fracture. The fracture mode of the material near the variable section in the middle of the lock tongue is brittle fracture. The reason of brittle fracture of the product should be related to the aging and embrittlement of the product after being used in high temperature environment for a long time.

Keywords： PC plastic; plastic fracture; brittle fracture; fatigue fracture; ageing

0 引言

氧氣面罩檢測(cè)設(shè)備用于檢查軍用或民用飛機(jī)的配套供養(yǎng)系統(tǒng)及其部件性能的測(cè)試設(shè)備。XXX-1型氧氣面罩檢測(cè)裝置是為某型氧氣系統(tǒng)配套的設(shè)備，其主體結(jié)構(gòu)為一個(gè)薄壁殼體，兩件左右對(duì)稱的門組件通過螺釘+螺套+螺紋鎖固劑與殼體相連接，殼體內(nèi)部放置飛行員氧氣面罩，結(jié)構(gòu)見圖1。地勤維護(hù)人員可通過門組件之間的空隙直接將氧氣面罩快速取出，門組件關(guān)閉狀態(tài)及打開狀態(tài)見圖2。鎖舌為安置于氧氣面罩檢測(cè)裝置內(nèi)部的異形件，通過鎖舌開閉可控制氧氣面罩檢測(cè)裝置供氧系統(tǒng)。通過鎖舌結(jié)構(gòu)可以看到，在外部向鎖舌施加正向壓力難以驅(qū)動(dòng)鎖舌動(dòng)作，必須施加斜向45°壓力才能有效控制系統(tǒng)開閉，見圖3。

門組件和鎖舌所用材料均為PC塑料，輔以阻燃劑（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%以上），并配以螯合劑等組成。該材料屬于系列材料，配方可以根據(jù)用戶產(chǎn)品做調(diào)整，性能上存在差異。本次失效裝置均位于駕駛機(jī)艙中，飛機(jī)在停機(jī)坪區(qū)域時(shí)，機(jī)艙內(nèi)溫度約為70 ℃。檢測(cè)裝置正常裝機(jī)使用，使用時(shí)間約為3 a。飛機(jī)進(jìn)行返廠維護(hù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)多件檢測(cè)裝置多處位置出現(xiàn)斷裂或開裂，此次試驗(yàn)以5件存在斷裂或開裂現(xiàn)象的門組件以及1件發(fā)生斷裂的鎖舌進(jìn)行失效分析。

1 試驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1 外觀觀察

將6件產(chǎn)品編號(hào)分別為2-1#、2-2#、3#、4#、5#及6#，其中2-1#、2-2#、3#、4#及6#為門組件，5#為鎖舌。分別對(duì)6件產(chǎn)品的斷裂或開裂位置以及斷裂程度進(jìn)行觀察與統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表1。

1.1.1 門組件觀察與分析。門組件和2-2#斷裂或開裂宏觀形貌見圖4，門組件2-1#斷裂或開裂位置主要位于安裝孔附近，左側(cè)安裝孔斷裂程度較為嚴(yán)重，僅殘余安裝孔根部斷口;右側(cè)安裝孔開裂程度較輕，可見安裝孔外表面存在多條裂紋，裂紋沿徑向深度最大約為0.8 mm，軸向長(zhǎng)度最大約為6 mm。此外，安裝孔外表面周向裂紋大致位于安裝孔中部變截面位置，最大長(zhǎng)度約為4 mm。將其斷口置于掃描電鏡下進(jìn)行微觀形貌觀察，各處斷口形貌均較為相似：整個(gè)斷口呈脆性特征，斷面上可見河流花樣，未見明顯材料缺陷，見圖5。上述微觀特征表明2-1#產(chǎn)品的斷裂模式為脆性斷裂。

與2-1#產(chǎn)品相比，2-2#產(chǎn)品安裝孔附近結(jié)構(gòu)較為完整，未見明顯材料缺失。其中，左側(cè)安裝孔開裂程度較輕，安裝孔上表面及外表面裂紋較淺。右側(cè)安裝孔開裂程度較為嚴(yán)重，右側(cè)安裝孔外表面存在多條沿徑向已裂透壁厚的裂紋，裂紋軸向長(zhǎng)度最大約為6 mm。此外，右側(cè)安裝孔外表面周向裂紋位于安裝孔中部變截面處，最大長(zhǎng)度約為7 mm，同樣已裂透壁厚。2-2#產(chǎn)品右側(cè)安裝孔開裂形貌較為典型，采用機(jī)械手段將安裝孔裂紋打開并置于掃描電鏡下進(jìn)行觀察，微觀形貌見圖6，安裝孔軸向裂紋斷面較為粗糙，斷面上可見明顯的擴(kuò)展棱線（河流花樣）;周向裂紋斷面可見“人字紋”形貌，呈現(xiàn)脆性斷裂特征，綜合微觀形貌分析，安裝孔斷裂模式為脆性斷裂[1]。

從2-2#產(chǎn)品裂紋開裂形態(tài)判斷，其開裂原因應(yīng)與2-1#產(chǎn)品開裂原因相似。在門組件使用過程中，安裝孔內(nèi)壁受到固定在殼體上的螺套的應(yīng)力作用，導(dǎo)致安裝孔壁發(fā)生軸向開裂，隨后在安裝孔中部變截面處發(fā)生周向擴(kuò)展。

1.1.2 鎖舌觀察與分析。5#產(chǎn)品斷裂宏觀斷口形貌見圖7（a），其斷裂位置位于鎖舌中部變截面處。將斷裂鎖舌置于體視顯微鏡下進(jìn)行觀察，表面存在多處機(jī)械損傷和塑性變形痕跡，通過痕跡形態(tài)分析，應(yīng)是與邊緣較為尖銳的硬物相互接觸、磕碰所致。鎖舌斷口整體較為平坦，未見明顯宏觀材料缺陷，斷口可見明顯的呈發(fā)散狀的擴(kuò)展棱線（河流花樣）。將斷口置于掃描電鏡下進(jìn)行觀察，源區(qū)位于鎖舌次表面，較為平坦，擴(kuò)展區(qū)較為粗糙，可見較多擴(kuò)展棱線，見圖7（b）。整個(gè)斷面呈現(xiàn)脆性斷裂特征，綜合鎖舌的使用工況進(jìn)行分析，鎖舌斷裂原因應(yīng)為使用過程中鎖舌中部變截面受到較大載荷作用發(fā)生斷裂[2]。

1.2 紅外成分分析

對(duì)6件失效產(chǎn)品進(jìn)行紅外成分分析，紅外分析結(jié)果表明，6件產(chǎn)品材料均為聚碳酸酯。一般而言，1 750 cm-1附近峰值越低，表明材料越脆，老化程度越嚴(yán)重。從紅外光譜圖的峰值對(duì)比結(jié)果來看，2-2#產(chǎn)品脆性最小，該結(jié)果與產(chǎn)品斷裂程度觀察結(jié)果相符。

1.3 硬度測(cè)試

對(duì)6件產(chǎn)品進(jìn)行邵氏硬度測(cè)試，結(jié)果見表1（非標(biāo)測(cè)試，結(jié)果僅供對(duì)比和參考）。從表1中可以看到，2-1#、3#、4#以及6#產(chǎn)品邵氏硬度相近，約為71～72，2-2#及5#產(chǎn)品邵氏硬度相近，約為74～76。

2 分析討論

XXX-1型氧氣面罩檢測(cè)裝置在飛機(jī)進(jìn)行返廠維護(hù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)多件產(chǎn)品在多處位置出現(xiàn)斷裂或開裂，對(duì)斷裂或開裂位置進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，主要包括四類：①門組件安裝孔附近出現(xiàn)斷裂或開裂，包括2-1#、2-2#、3#、4#及6#，其斷裂缺損嚴(yán)重程度4#>6#>2-1#>3#>2-2#;②門組件雙耳卡附近出現(xiàn)斷裂或開裂，包括6#及3#，其中6#產(chǎn)品雙耳卡發(fā)生斷裂，3#產(chǎn)品雙耳卡附近發(fā)生輕微開裂;③3#產(chǎn)品門組件邊緣圓孔附近發(fā)生開裂;④5#產(chǎn)品鎖舌中部變截面處發(fā)生斷裂。將門組件與鎖舌分析結(jié)果進(jìn)行匯總，見表3。

紅外分析結(jié)果表明，6件產(chǎn)品所用材料均為聚碳酸酯，且4#產(chǎn)品材料在1 750 cm-1附近峰值最低，2-2#產(chǎn)品材料在1 750 cm-1附近峰值最高，該結(jié)果與產(chǎn)品宏觀斷裂程度觀察結(jié)果相符。從6件產(chǎn)品分析結(jié)果來看，門組件安裝孔附近的斷裂或開裂原因應(yīng)與產(chǎn)品長(zhǎng)時(shí)間在高溫環(huán)境下使用，發(fā)生老化變脆有關(guān)。邵氏硬度分析結(jié)果表明，2-1#、3#、4#以及6#產(chǎn)品邵氏硬度相近，約為71～72，2-2#及5#產(chǎn)品邵氏硬度相近，約為74～76。

綜合上述分析結(jié)果，認(rèn)為5件門組件安裝孔附近材料斷裂模式為脆性斷裂，斷裂原因應(yīng)與產(chǎn)品使用過程中安裝孔壁受到螺套應(yīng)力或沖擊載荷作用發(fā)生開裂有關(guān)。1件門組件邊緣圓孔附近材料斷裂模式為塑性斷裂，斷裂原因應(yīng)為在使用過程中受到較大應(yīng)力作用，導(dǎo)致門組件發(fā)生斷裂[3]。1件門組件雙耳卡附近材料斷裂模式為疲勞斷裂，斷裂原因應(yīng)與門組件多次開合使用工況有關(guān)，疲勞開裂對(duì)其表面加工質(zhì)量也非常敏感，尤其是出現(xiàn)與最大應(yīng)力方向垂直的加工刀痕[4-5]。鎖舌中部變截面附近材料斷裂模式為脆性斷裂，斷裂原因應(yīng)為使用過程中鎖舌中部變截面受到較大載荷作用發(fā)生斷裂。上述門組件產(chǎn)品老化變脆程度與門組件宏觀斷裂缺損程度存在正相關(guān)關(guān)系，推測(cè)門組件安裝孔附近的斷裂原因應(yīng)與產(chǎn)品長(zhǎng)時(shí)間在高溫環(huán)境下使用，發(fā)生老化變脆有關(guān)。

3 結(jié)語

通過對(duì)XXX-1型氧氣面罩檢測(cè)裝置門組件與鎖舌的觀察與分析認(rèn)為，5件門組件安裝孔附近材料斷裂模式均為脆性斷裂，斷裂原因應(yīng)與安裝孔壁受到螺套應(yīng)力作用有關(guān);圓孔（門組件邊緣）附近材料斷裂模式為塑性斷裂;門組件雙耳卡附近材料斷裂模式為疲勞斷裂;鎖舌中部變截面附近材料斷裂模式為脆性斷裂;產(chǎn)品發(fā)生脆性斷裂原因應(yīng)與產(chǎn)品長(zhǎng)時(shí)間在高溫環(huán)境下使用，發(fā)生一定的老化變脆有關(guān)。

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