飛機結構疲勞與腐蝕有哪些原因？

飛機結構疲勞與腐蝕有哪些原因？

根據(jù)一份1997年發(fā)表的研究報告，從1954年到1995年這40年間，共約發(fā)生2,800次飛機失事，其中由于結構問題導致的有67件，原因及百分比為︰其它及設計不良各占10.4%、維修不良占7.5%、超負荷（overload）占28.4%、疲勞及腐蝕占百分之43.2%。結構問題中疲勞及腐蝕危害zui烈，幾乎占了一半，可見要維持老飛機的飛行安全，必須對結構疲勞及腐蝕有正確的認知及處置，而這也是目前各國*現(xiàn)正面對的首要課題。

疲勞

疲勞是指在低于材料極限強度（ultimate strength）的應力（stress）長期反復作用下，導致結構終于破壞的一種現(xiàn)象。由于總是發(fā)生在結構應力遠低于設計容許zui大應力的情況下，因此常能躲過一般人的注意而不被發(fā)覺，這也是疲勞zui危險的地方。

材料在承受反復應力的作用過程中，每一次的應力作用稱為一個應力周期（cycle），此周期內(nèi)的材料受力狀態(tài)，由原本的無應力先到達zui大正應力（拉伸應力），然后到達zui大負應力（壓縮應力），zui后回到無應力狀態(tài)。在此受力過程中，每一個應力周期所經(jīng)歷的時間長短（即︰頻率）與疲勞關系甚微，應力周期的振幅及累積次數(shù)才是決定疲勞破壞發(fā)生的時機；另外，壓縮應力不會造成疲勞破壞，拉伸應力才是疲勞破壞的主因。

疲勞破壞大致分為兩類︰低周期疲勞（low cycle fatigue）及高周期疲勞（high cycle fatigue）。一般而言，發(fā)生疲勞破壞時的應力周期次數(shù)少于十萬次者，稱為低周期疲勞；高于此次數(shù)者，稱為高周期疲勞。低周期疲勞的作用應力較大，經(jīng)常伴隨著結構的*塑性變形（plastic deformation）；高周期疲勞的作用應力較小，結構變形通常維持在彈性（elastic）范圍內(nèi)，所以不致有*變形。

材料疲勞破壞的進程分為三階段︰裂紋初始（crack initiation）、裂紋成長（crack growth）、強制破壞（rupture）。材料表面瑕疵或是幾何形狀不連續(xù)處，材料晶格（lattice）在外力作用下沿結晶面（crystallography plane）相互滑移（slip），形成不可逆的差排（dislocation）移動，在張力及壓力交替作用下，于材料表面形成外凸（extrusion）及內(nèi)凹（intrusion），造成初始裂紋。

這些初始裂紋在多次應力周期的拉伸應力連續(xù)拉扯下逐漸成長，并使材料承載面積縮減，降低材料的承載能力。當裂紋成長到臨界長度（critical length）時，材料凈承載面積下的應力已超過材料的極限強度，此時的材料強制破壞也就無法避免了。

飛機結構的疲勞破壞zui常發(fā)生于幾何形狀不連續(xù)處，因此在維護延長服役年限的老飛機時，對一些幾何面積變化較大的位置，如︰R角、鉚釘孔邊……，都得特別留意。比較麻煩的是有些結構件在原本的設計負載下，預期使用期間不會有疲勞破壞的顧慮，因此未留下檢查進手空間，或是結構需大部拆解后才有辦法檢查，這些位置在延長服役期間如果未能檢查，就會有相當?shù)臐撛陲w行安全風險。

腐蝕

腐蝕是個存在已久的老問題，亞熱帶高溫潮濕的環(huán)境更有利于腐蝕的發(fā)生。本質上，腐蝕是個無法避免的過程，只能以適當?shù)奶幹脕硌泳徠浒l(fā)生或降低帶來的損害，明白了常見的腐蝕及其預防或處置方式，對飛行安全或節(jié)省維修經(jīng)費，都會有莫大的幫助。

廣義來說，腐蝕是指材料受到環(huán)境介值預期外的侵襲所造成的材料性質退化。不論是金屬、聚合物（polymer）、或陶瓷（ceramic）……皆難逃腐蝕。這是因為在自然界里，材料以礦石中硫化物（sulfide）或氧化物（oxide）型態(tài)存在的情況zui穩(wěn)定，一旦經(jīng)由各種精煉過程成為純物質或合成物質的型態(tài)，就成為不穩(wěn)定狀態(tài)，而腐蝕就是材料恢復穩(wěn)定的一種方式。

例如：自然界的鐵是以氧化鐵的形式存在于礦石中，經(jīng)過提煉之后成為純鐵或合金鋼，但在歲月的侵襲下，終究會恢復到生銹的氧化鐵。

一般人都有個錯誤的觀念，認為腐蝕與空氣濕度有直接的關系，因此潮濕的東南亞地區(qū)較容易發(fā)生腐蝕，而干燥的北美或歐洲大陸，則較不會有腐蝕的困擾。事實上，腐蝕的發(fā)生與空氣濕度（Absolute Humidity）關系甚微，與空氣相對濕度（Relative Humidity）則密不可分。

此處的空氣濕度就是一般人所認知的空氣濕度，它是指在某一溫度下，空氣中所含的水蒸氣含量；而空氣相對濕度則是指在某一溫度下，空氣中的水蒸氣含量與該溫度下空氣所能容納的水蒸氣zui大含量之比值。

當空氣相對濕度到達某一臨界值（Threshold）時，水蒸氣會在金屬表面形成水膜，促使電化學（electrochemical）反應發(fā)生，進而加快腐蝕速率，因此東南亞地區(qū)的年平均空氣濕度固然高于北美或歐洲大陸地區(qū)，但兩地區(qū)的年平均空氣相對濕度則未必一定如此。

事實上，大部分地區(qū)的年平均空氣相對濕度大約都在70%到80%之間，換言之，不論是東南亞地區(qū)或是大陸型氣候的美國，都會遭遇到相同程度的腐蝕問題。

所謂的電化學反應，是指金屬在常溫下與水或其它電解質間，由于電子的轉移而發(fā)生的化學反應。要完成此反應需具備四個要素︰釋放電子的陽極、接收電子的陰極、與電子發(fā)生化學反應的電解質、連接陰陽極的電路。

以zui常用的干電池為例︰干電池的外殼為鋅（陽極），正中央為石墨碳棒（陰極），處于鋅外殼與石墨碳棒間的，是以氯化銨（NH4Cl）為反應主體的糊狀物電解質，由于鋅的活性較石墨來得大（見附表）。

因此會釋放電子變成鋅正離子，電子與氯化銨產(chǎn)生化學反應，形成的電子流通過外導線可提供一點五伏特的電壓，而鋅正離子則與電解質中的其它物質形成穩(wěn)定的化合物，故干電池使用一段時間后，鋅外殼就會逐漸稀薄被“腐蝕＂，形成常見的干電池外殼烏黑生銹現(xiàn)象。

腐蝕會減損材料的承載面積，使結構無法承受原先的設計負載，不但造成飛行安全顧慮，而處理腐蝕也并不便宜。根據(jù)美國國防部2012年的一份研究報告，2008到2009年間，美國*每年在處理腐蝕上的花費接近50億美元，占美國*年度維護經(jīng)費近四分之一，腐蝕所導致的巨大經(jīng)濟損失，由此可見。

飛機結構中zui常見的金屬腐蝕有︰麻點腐蝕（pitting corrosion）、異電位腐蝕（galvani ccorrosion）、鱗落腐蝕（exfoliation）、應力腐蝕（stress corrosion），以下分別就其原因、現(xiàn)象、預防或處置方式進行探討。

麻點腐蝕

某些金屬在大氣環(huán)境下，表面會形成一薄膜而失去相對的化學活性，而使腐蝕行為變?nèi)?，此種現(xiàn)象稱為鈍化（passivity），如︰不銹鋼、鋁、鉛、鈦……等合金均具有此特性。麻點腐蝕專發(fā)生于具有鈍化膜的金屬表面上，其中以不銹鋼zui容易發(fā)生。

麻點腐蝕是一種局部的腐蝕現(xiàn)象，金屬表面呈現(xiàn)多處點狀的銹蝕，直徑可由0.002到0.2公分，腐蝕方向為垂直向下侵蝕，發(fā)生原因是由于環(huán)境或金屬表面的性質不均勻（如︰表面缺陷、成份不均……等），導致環(huán)境中的氯離子被吸附在金屬表面某些點上，使鈍化膜破壞生成微小的孔洞，孔洞底部因空氣不流通缺氧而形成陽極，孔洞外圍則因氧氣充足形成陰極，在陰陽兩極的電化學反應下，金屬表面就發(fā)生麻點腐蝕。

麻點腐蝕的危險在于其外表特征微小而難以察覺及預防，以致結構已有嚴重的麻點腐蝕仍不自知，造成結構突然的意外破壞。

金屬表面的小刮痕或刻痕，很容易導致麻點腐蝕的發(fā)生，因此要防止此種腐蝕，金屬表面鏡面（mirror polish）處理是個相當有效的方式。

異電位腐蝕

異電位腐蝕的現(xiàn)象可說是電鍍的逆過程，電鍍時兩根金屬棒分別接于直流電源的陽極和陰極，并置于電解液中形成電導通狀態(tài)，陽極的金屬棒在電解液中會溶解成金屬正離子和電子，金屬正離子會被陰極金屬棒所吸引，和其電子結合成金屬附著沈積于表面上；電子則在直流電源的驅動下去補充陰極金屬棒所失去的電子。在這個過程中，陽極的金屬棒因持續(xù)溶解而逐漸被“腐蝕＂。

同樣的道理，當兩種或兩種以上不同的金屬材料搭接成電導通狀態(tài)時，因為彼此間的電位（potential）不同，材料間就會有電流通過，加上潮濕的環(huán)境有類似電解液的功用，致其中某一材料會產(chǎn)生坑洞狀的腐蝕，并有硫化物、氯化物（chloride）、氧化物……的沈積。

被腐蝕的材料稱為陽性（anodic）或活性（active）材料，未被腐蝕的材料則稱為陰性（cathodic）或惰性（passive）材料。

一般而言，會影響異電位腐蝕速率的因素有：

組成成分：不銹鋼表面的鉻（chromium）若和鐵混合成合金狀態(tài)，則此不銹鋼成為活性材料；若成氧化鉻的型態(tài)，則成為惰性材料。后者也是不銹鋼和鋁合金搭接時，為防止異電位腐蝕而實施表面鈍化處理（passivating treatment）的原理。

相對面積：異電位腐蝕的速率和惰性/活性材料的面積比成正比，若大面積的活性材料和小面積的惰性材料相搭接，則大面積下電流密度會被稀釋，活性材料可能就不會被腐蝕。反過來說，小面積的活性材料和大面積的惰性材料相搭接，則由于電流密度的增加，活性材料很快就會被腐蝕殆盡。

極性改變：在某些情況下，相搭接的金屬極性會改變，使腐蝕的發(fā)生位置和預期相反。例如鐵和鋅搭接時，在含有硝酸鹽（nitrate）或重碳酸鹽（bicarbonate）的溶液中，當溫度超過140℉時，電極性會改變。其原因目前仍不清楚，不過一般相信和腐蝕物的導電度有關。zui常見的例子是鋁梯中的鋼制螺栓，雖然鋁合金的電位較高，但實際情況是鋼制螺栓腐蝕很快，而鋁梯則沒有什么影響。

要防止異電位腐蝕，相互搭接的各結構零組件得挑選電位相近的材料，注意配對的材料是否有異電位腐蝕的顧慮。各種材料彼此間的影響程度是根據(jù)相互間的相對電位差而定，差距越大，異電位腐蝕越激烈。

附表是幾種常見金屬的相對活性比較，位置越往上的材料其電位越高，活性也越大，容易被腐蝕；位置越往下的材料其電位越低，惰性也越大，有免于被腐蝕的保護作用。

如果非得使用不同類型的材料，可以用不導電的分隔物把兩材料分開，讓彼此*絕緣，一般也可以用鉻酸鹽（chromate）或環(huán)氧樹脂（epoxyresin）涂裝做阻隔，但前提是這些涂層不會受到機械性的破壞。若實在無法解決，就得先防患未然，將活性零件做得大一些，或是做成容易更換的零件。

在以往飛機工業(yè)未使用先進復合材料（Advanced Composite Material）前，所使用的材料主要是鋁和經(jīng)過鈍化處理的不銹鋼，異電位腐蝕較不常見，但隨著對性能及隱身性的要求，新一代戰(zhàn)機已廣泛采用此種強度高、重量輕、雷達不易探測的新材料。

先進復合材料中的石墨（graphite）纖維和鋁的電位差很大，兩者交界面有異電位腐蝕的顧慮，地面維護人員在平日維修時要特別注意。

鱗落腐蝕

顧名思義，鱗落腐蝕的外觀會有如魚鱗片般的迭層剝落，這種腐蝕具有明顯的方向性，通常會平行于滾制（rolled）或射出成形（extruded）的面，侵蝕被拉長的材料晶粒，造成表面結構的脫層（delamination）或形成多層面（stratification）。

環(huán)境因素是造成鱗落腐蝕的主因，例如環(huán)境中有氯化物和溴化物（bromide）離子的存在、高溫、酸性的環(huán)境、間歇性的干和濕……等，后者尤其會產(chǎn)生不可溶解的腐蝕物，加快腐蝕速率。

在材料表面涂裝底漆及化學保護膜可改善鱗落腐蝕抵抗力，不過這只能延緩鱗落腐蝕發(fā)生的時間，無法*防止，且一旦此保護層被腐蝕，則底下的材料將處于無保護狀態(tài)，短時間內(nèi)會被腐蝕而破碎。

鱗落腐蝕的一般處理原則是磨除腐蝕區(qū)域，再加以適當?shù)谋砻娣牢g處理。

應力腐蝕

應力腐蝕是材料在化學侵蝕環(huán)境下與機械性拉伸應力同時作用下的結果。一般的腐蝕是以材料被剝蝕的型態(tài)出現(xiàn)，而應力腐蝕則以裂紋的型態(tài)出現(xiàn)，且表面幾乎沒有任何腐蝕物堆積的現(xiàn)象，因此很容易被忽略，形成潛伏的危險因素。造成應力腐蝕的四個基本條件是：敏感性合金（susceptible alloy）、侵蝕環(huán)境、施加或殘余拉伸應力、以及時間。

應力腐蝕廣見于多種材料及環(huán)境中，根據(jù)統(tǒng)計，應力腐蝕損壞zui常出現(xiàn)于低合金鋼（low alloy steel）、鋯（zirconium）、黃銅（brass）、鎂（magnesium）及鋁合金。這些材料應力腐蝕損壞的外表及行為都不相同，不過一般而言都具有一些共同的特性：

1.大部分破斷面在巨觀下是脆性（brittle）帶有少量的韌性撕裂（ductiletearing）現(xiàn)象，有些材料的破壞模式會介于韌性和脆性之間。

2.一定是拉伸應力（tensilestress）和環(huán)境同時作用的結果，輪流作用不會產(chǎn)生應力腐蝕，且應力大小沒有的關系。應力大，環(huán)境的因素就比較??；應力小，環(huán)境的因素就比較大。

3.材料表面的氧化膜受到機械或化學外力的破壞形成小凹洼（pit），應力腐蝕初始裂紋（initialcrack）就由小凹洼的根部開始成長，這段期間應力的影響很小，腐蝕是主要的原動力（drivingforce），裂紋方向和主應力（principalstress）方向一致，與一般疲勞裂紋和主應力方向垂直的情況大不相同。

4.裂紋走向會在沿著晶粒邊界（intergranular）或穿透晶粒（transgranular）中二選一，全看材料、環(huán)境、應力大小這三者的組合而定。在不銹鋼材里，裂紋通常會穿透晶粒，且會造成一特別的晶體面（crystallographic），但在某些介質中，特別是腐蝕性溶液或是高氧化物漂白劑中，裂紋會沿著晶粒邊界。在高強度合金鋼中，裂紋會沿著晶粒邊界；鋁合金基本上亦是如此。

5.裂紋成長的過程本身就有自我催化（self-catalyzing）的作用，正在成長中的裂紋局部之成長速率至少為疲勞裂紋的百倍以上，所以一旦發(fā)現(xiàn)應力腐蝕裂紋后就得盡快處置。

6.形成裂紋需特定的合金和環(huán)境，雖然許多環(huán)境都能產(chǎn)生相近的腐蝕生長速率，但不同的合金對應力腐蝕的敏感度差異甚大。

應力腐蝕裂紋必需在腐蝕表面上有拉伸應力，此拉伸應力可以是外加，也可以是殘余應力（residual stress），其中殘余應力更是問題的所在，因為它是隱藏的，在設計時常會被忽略。殘余應力的來源可能來自制造過程，如：冷加工時變形不均勻、熱處理后退火冷卻速率不同；或是來自裝配時的緊配（interference fit），鉚釘、螺栓變形……等。

降低應力：這有好幾種方法，如：增加材料厚度或降低負載都是可行的方式。如果零件因重量關系無法增厚，可在表面上用珠擊（shot peening）或滾壓（surface rolling）的方式加上壓縮殘余應力（compressive residual stress）。

改變環(huán)境：抹去結構表面上沉積的水氣、污物、清潔劑殘痕……等，都是很有效的預防措施。

更換材料：這是zui方便的作法，若無法改變應力和環(huán)境，這也是*的對策。一般是改用不同熱處理方式以增強抗腐蝕能力的同型號材料，但若改用其他材料，如︰鋁合金改用鋁鋰（aluminum-lithium）合金，鋼改用鈦合金……等，就得一并考慮更改材料后全機重心改變、震動模態(tài)（vibration mode）變更、與鄰近材料的異電位腐蝕……等相關問題。

表面處理：陽極化（anodize）或陰極化（cathodic）表面處理都會在材料表面形成一保護膜，降低外界的腐蝕作用，但此種處理會降低鋁合金的疲勞強度，且陰極化處理也不能用在高強度鋼材，或是對氫脆化（hydrogen embrittlement）敏感的材料，因為表面陰極化會增加氫侵入的速度。若表面有裂紋，局部處理的效果也不好。

結語

由于經(jīng)濟因素的考慮，軍用飛機延長服役年限是一個不可避免的趨勢，而如何維持這些老舊飛機的飛行安全，則是一個嚴肅的課題。由于老舊飛機都已經(jīng)過長時間的服役生涯，影響其飛行安全的zui大因素自然來自疲勞與腐蝕。

疲勞是外力長期作用下的結果，因此當飛機服役時間越久，就越容易受到它的影響；而由于材料的天性，腐蝕終究是個無法避免的過程，美國*在2005年修訂的飛機結構剛性計劃需求中，因此新增了對腐蝕的預防、控制、評估工作項目，可見在zui近的未來，腐蝕應該還是會繼續(xù)困擾著飛機結構。

要維持軍用飛機延長服役期間的飛行安全，在經(jīng)費考慮下，一般采取的方式是對容易發(fā)生疲勞裂紋的位置執(zhí)行定期檢查。舊式軍用飛機的結構安排簡單、寬松，少有無法進手檢查的區(qū)域，縱然有疲勞或腐蝕，經(jīng)由擇要檢修（Inspectionand Repair As Necessary，IRAN）后很容易發(fā)現(xiàn)并排除，因此不至于對機隊安全造成困擾。

現(xiàn)代軍用飛機結構復雜，裝備安排非常緊密，在提升維修效率的考慮下，擇要檢修也逐漸被機隊管理所取代，依單機追蹤（Individua lAircraft Tracking，IAT）分析結果決定定期檢查的位置與檢查時距（Inspection Interval），如果某些重要結構件因此*沒有檢查，就會有潛在飛行安全風險，美國*F-15C事件是的教訓。

現(xiàn)行*方式是在機上安裝傳感器，即時探測并回報機上發(fā)生的疲勞與腐蝕損傷，老飛機的結構安全將更有保障。只是目前的傳感器僅能追蹤疲勞及異電位腐蝕損傷，且飛機會延長使用年限通常是因為經(jīng)費拮據(jù)，這種方式與節(jié)省經(jīng)費的初衷背道而馳，要獲得實行并不容易。

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