книги из ГПНТБ / Соломонов, П. А. Надежность планера самолета

строение, приводящее к окончательному заключению о причинах отказа авиационной техники и позволяющее определить, какие мероприятия необходимы для предотвращения подобных отка­ зов.

В процессе лабораторных испытаний агрегатов целесообраз­ но фиксировать с помощью осциллографов, скоростных киноап­ паратов и других средств, частоты и амплитуды перемещений различных золотников, клапанов, следить за процессами разви­ тия деформаций, течи и т. д. Это во многих случаях позволяет глубже вникнуть в сущность происходящих в системах и агрега­ тах процессов и их влияния на возникновение тех или иных от­ казов.

В большинстве случаев к отказу объектов авиационной тех­ ники приводят разрушения деталей или повреждения их поверх­ ностей.

Исследования по определению характера разрушения деталей (усталостного, от высоких переменных нагрузок при малом ко­ личестве циклов, от воздействия нагрузок, превышающих пре­ дел прочности и т. п.) целесообразно проводить в организациях, имеющих необходимую лабораторную базу. В процессе этих ис­ следований наиболее часто применяются оптические методы ос­ мотра, металлографический анализ материала вблизи излома, рентгеноструктурный анализ поверхности излома.

Анализ возможных причин появления неисправности, вызвав­ шей отказ, часто является наиболее сложной и объемной частью исследования по определению причин отказа авиационной тех­ ники.

Для этого иногда приходится выполнять целый комплекс теоретических и экспериментальных исследований с проведени­ ем сложных расчетов, экспериментов по оценке влияния эксплу­ атационных и производственных факторов на надежность узлов и деталей, математического моделирования условий их работы, прочностных статических и динамических испытаний деталей и другие исследовательские работы.

Целью этих работ обычно является не только определение причины неисправности, но и проверка того, какие мероприятия необходимы и достаточны для предупреждения возникновения этой неисправности.

6.2. Металлофизические методы исследования отказавших объектов авиационной техники

При проведении исследований отказавших объектов аварий­ ной авиационной техники широко применяются металлофизиче­ ские методы исследований [4]. К ним относятся: спектральный, металлографический и рентгеноструктурный.

Кроме того, почти при всех исследованиях отказавших объек­

230

пропай, пористость, несплавление присадочного материала с ос­ новным материалом детали);

г) направление волокон и качество ковки материала деталей

из деформируемых сплавов; д) загрязненность металла (сплава) неметаллическими вклю­

чениями (сульфидами и оксидами) (рис. 97); е) распределение структурных составляющих, структурный

состав сплава; ж) глубину слоя и микроструктуру химико-термически обра­

ботанных деталей (азотированных, цементированных и цианиро-

ванных); з) глубину слоя обезуглероживания;

и) микропороки, нарушающие сплошность металла (микро­ трещины, микропоры и т. п.);

к) характер и глубину коррозионных поражений; л) толщину поверхностных металлических покрытий; м) величину зерна материала детали;

4) определение величины остаточных напряжений рентгеноструктурным методом анализа для оценки возможных наруше­ ний технологии изготовления деталей (термообработки, механи­ ческой обработки).

Большое место в исследованиях отказавших объектов авиа­ ционной техники занимают металлографические исследования.

Применение спектрального и химического анализов при ис­ следовании причин отказов авиационной техники связано с не­ обходимостью решения в процессе исследований таких задач как:

—определение соответствия химического состава материала

ипокрытий разрушившихся деталей техническим условиям;

—определение состава металлизации, налетов и других от­

ложений, образующихся в основном на деталях газо-воздушного тракта двигателей при нарушении их нормальной работы;

—определение наличия и химического состава постороннего материала в местах пробоин, забоин, включений на участках по­ верхности деталей со следами трения, соударения и т. д. для выявления детали (предмета), находившейся в контакте с пов­ режденной (разрушенной) деталью;

— определение состава отложений, обнаруженных на фильт­ рах и других местах сбора их в системах самолета и двигателя, для выяснения картины износа деталей и др.

Выполнение исследований методами спектрального и хими­ ческого анализов проводится как по известным стандартным ме­ тодикам, так и по методикам, разработанным для исследований, отказавшей авиационной техники. Отличительной особенностью аналитических методов спектрального и химического анализов, применяемых при исследовании отказавшей авиационной техни­ ки, являются работы с микроколичествами авиационных матери­ алов. В связи с этим применяются методы спектрального анали­

232

за деталей и образцов малых размеров. Для качественного и полуколичественного анализа микроскопических частиц и тон­ ких поверхностных слоев целесообразно применять специальные установки локального спектрального анализа. На них проводит­ ся анализ металлизации, налетов и других отложений непосред­ ственно на поверхности деталей и после снятия их.

Применяющиеся методы и имеющееся оборудование позволя­ ют анализировать детали, изготовленные из авиационных мате­ риалов, и мелкие частицы массой 0,02 г и более, проводить ис­ следование тонких поверхностных слоев и отложений в виде осадков, налетов, пленок и т. п.

Большое значение в исследованиях имеет установление ха­ рактера разрушения детали, типа и уровня нагрузок, вызвавших его, и последовательности разрушения.

Для определения характера разрушения детали, т. е. опре­ деления нагрузок, от которых разрушилась деталь — вибраци­ онных, повторных статических, однократно приложенных разру­ шающих и т. д. — изучают строение поверхности излома, по которому во многих случаях можно представить процесс разру­ шения и произвести определение остаточной пластической де­ формации. Последняя необходима для установления направле­ ния действовавших разрушающих нагрузок.

Изломом называют поверхность разрушенного образца или детали при различных способах механического нагружения: рас­ тяжении, сжатии, изгибе, кручении, а также при различных ком­ бинациях нагрузок.

Изломы классифицируют обычно по двум признакам: харак­ теру нагружения, вызвавшему данный излом (статический, ди­ намический, от повторных нагрузок и т. п.), и по особенностям ■строения излома (хрупкий — пластичный или кристаллический, волокнистый и т. п.)

1. От кратковременной однократной нагрузки — так назы­

личном строении этих изломов (например, кристаллическом или волокнистом) общим для них является постепенное, хотя и про­ исходящее с различной скоростью, возрастание внешней на­ грузки.

2. От постоянной длительной нагрузки, действие которой ха­ рактеризуется не только длительностью, но и постоянством или малой изменяемостью во времени в течение большей части пе­ риода нагружения. К этому виду изломов относятся:

— изломы деталей, работающих при комнатных и понижен­ ных температурах;

—-изломы деталей, работающих при повышенных температу­ рах.

233

с деформацией и дроблением последних, проявляются на рент­ генограммах в расширении интерференционных линий.

Микроискажения, уравновешивающиеся в пределах элемен­ тарной атомной решетки, рентгенографически проявляются в ослаблении интенсивности интерференционных линий.

Изучение структуры металла или сплава вблизи места раз­ рушения детали позволяет во многих случаях определить харак­

тер и условия разрушения детали.

По изменению направления волокон вблизи места разруше­ ния, по их деформации можно определить, от каких нагрузок разрушилась деталь и в каком направлении действовали эти нагрузки.

Помимо определения характера разрушения, часто возника­ ет необходимость выяснить, в каких условиях разрушалась де­ таль: в нагретом или холодном состоянии (во время пожара на самолете, до пожара или после него), в условиях нормальной смазки (подшипники) или при отсутствии смазки, в условиях аг­ рессивной или нейтральной среды.

У деталей, которые в процессе разрушения подвергались вы­ сокому местному нагреву, имеются участки структуры, резко отличающиеся по своему строению от исходной. Стальные дета­ ли, нагревавшиеся до высоких температур, будут иметь на этих участках отожженую структуру, если охлаждение их происходи­ ло медленно. Зоны теплового влияния на стальных деталях хоро­ шо выявляются травлением, так как разные по структуре участ­ ки детали по-разному поддаются травлению.

При каких температурах разрушилась та или иная деталь из алюминиевого сплава, которая работала в условиях невысо­ ких температур, определить бывает весьма важно. Иногда тре­ буется определить, когда разрушилась деталь: до пожара на са­ молете, вызвав аварию и затем пожар, или во время пожара, явившись в этом случае следствием отказа.

Для определения температурных условий разрушения дета­ лей из алюминиевых сплавов необходимо руководствоваться следующим:

во-первых, характером и степенью деформации материала вблизи места разрушения. Чем выше была нагрета деталь в мо­ мент разрушения, тем больше будет степень деформации в мес­ те разрушения при условии, что температура, до которой нагре­ валась деталь, не привела к оплавлению эвтектики по границам зерен. При температурах, близких к температуре плавления эв­ тектики, степень деформации резко падает;

во-вторых, состоянием микроструктуры вблизи места разру­ шения. Если разрушение происходило при нормальных рабочих температурах, то зерна металла будут деформированы, и связь между ними не будет нарушена. Если разрушение происходило при температурах, близких к температуре плавления эвтектики,

236

ра. Вследствие такого различия в условиях нагрева и охлажде­ ния возникают хорошо различимые зоны теплового влияния.

При масляном же голодании детали подшипника не охлаж­ даются маслом, они, как правило, полностью прогреты, поэтому структура этих деталей будет иной, чем при нормальном посту-

пании масла.

Материал наружных колец подшипников в большинстве слу­ чаев как при нормальном поступании масла, так и при масля­ ном голодании сохраняет исходную структуру — безыгольчатый мартенсит и карбиды. Изменения в структуре могут наблюдать­ ся только вблизи дорожки качения. Так, у наружных колец под­ шипников, которые разрушались при нормальном поступании масла, даже вблизи дорожки качения под слоем налипшего ме­ талла сохраняется исходная структура, тогда как у колец под­ шипников, разрушившихся от масляного голодания, наблюдает­ ся высокоотпущенная структура.

Микроструктура шариков и роликов подшипников, разрушив­ шихся при нормальном поступании масла, в сердцевине сохра­ няется исходной, а вблизи мест истирания образуются зоны подкалки и зоны отпуска. В местах, где не было истирания ша­ рика вблизи поверхности, тоже может сохраниться исходная структура—мартенсит и карбиды. При масляном голодании шарики и ролики нагреваются до высоких температур по всему сечению, при этом происходит полная перекристаллизация, ис­ ходная структура не сохраняется, и почти по всему сечению пре­ обладает отожженная структура —■перлит, цементит и карбиды.

Микроструктура материала внутренних колец подшипников, разрушившихся при нормальном поступании масла, в зонах ис­ тирания имеет крупноигольчатую мартенситную структуру (вто­ ричная закалка), а в сохранившихся буртиках, где не было исти­ рания — исходную структуру: мартенсит и карбиды.

В материале кольца подшипника, разрушенного при масля­ ном голодании, мартенситных структур не наблюдается, внутрен­ нее кольцо прогревается по всему сечению, и материал кольца

деталей и по зонам теплового влияния. Изменение твердости в сочетании с характером структуры дает ясную картину проис­ ходивших процессов нагрева и охлаждения разрушившихся под­ шипников.

В ряде случаев при исследовании причин необходимо опреде­ лить работоспособность двигателей, температуру его горячих агрегатов, которая определяется режимом работы двигателя. Для этого, как правило, наряду с выявлением других признаков, по которым можно установить режим работы двигателя, опре­ деляется температура его отдельных деталей. Используя извест­

238

ные структурные превращения жаропрочных материалов горя­ чей части авиационных двигателей, удается определять такие важные параметры их работы, как температура нагрева рабо­ чих и сопловых лопаток турбин двигателей, т. е. режим работы двигателя в момент столкновения с препятствием, а также пере­ грев лопаток турбины в полете (был ли помпаж двигателя).

Температура нагрева лопаток турбины двигателя определя­ ется по цвету окисных пленок на изломах, для чего должны быть изготовлены специальные эталоны из лопаток турбин.

После тщательной промывки и подготовки изломов исследу­ емых лопаток цвет окисных пленок на их поверхности визуально сравнивается с цветом на эталонах. Кроме того, в последнее вре­ мя используется методика для сравнения цвета окисных пленок на изломах разрушенных лопаток и на эталонах с применением спектрофотометрических приборов, что повышает точность ука­ занного метода.

При исследовании причин отказов двигателей целесообразно применять методику по определению температуры нагрева дета­ лей горячей части двигателей из некоторых жаропрочных спла­ вов в момент их деформации с помощью рентгеноструктурного анализа.

Ряд неисправностей авиационных газотурбинных двигателей (помпаж, зависание оборотов) сопровождается забросами тем­ пературы газов на турбине, в результате чего происходит пере­ грев лопаток. Перегревом лопаток турбины при работе двигате­ ля называется нагрев лопатки или части ее до температуры, пре­ вышающей расчетную для сплава, длительностью, достаточной для снижения его прочностных свойств.

Перегрев лопаток турбины, даже если он не настолько силь­ ный, чтобы вызвать разрушение, обгар (оплавление) лопаток или трещины ползучести приводит к быстрым структурным из­ менениям в сплаве, особенно в поверхностных его слоях, в ре­ зультате чего сплав лопатки теряет оптимальную структуру, изменяются его механические свойства. Поэтому, изучая измене­ ние структуры и свойств материала лопаток турбины после ра­ боты двигателя, можно определить, нагревались ли лопасти тур­ бины при работе в двигателе выше расчетной температуры, или работа их проходила в нормальных температурных условиях.

Помимо внешних признаков перегрева (обгорание пера, вы­ тяжка лопаток, растрескивание кромок, прогары кромок, повы­ шенная степень окисления поверхности), при исследовании ло­ паток производится оценка состояния их материала методом измерения твердости и металлографическим анализом по изме­ нениям структуры сплава.

Сущность определения перегрева лопаток турбины методом измерения твердости состоит в оценке характера и степени изме­ нения твердости материала лопаток после эксплуатации по

239