X射线衍射技术在残余应力中的应用

起落架是飞机结构的重要承力部件，因为一个起落接一个起落的重复载荷作用，所以常常会导致起落架及其与机体相连结构发生疲劳破坏，这对飞机的使用安全造成严重威胁。据统计，飞机起落架事故约占全机总事故的40%左右，因此起落架的安全性、可靠性对于飞机而言是至关重要的。通过检测起落架的残余应力，可以准确评估其疲劳损伤程度并指导相应的修复工作，以确保其正常工作。本节内容将围绕“利用X射线衍射法检测起落架支柱的残余应力”展开［41］。

测量残余应力所使用的是便携式XRD系统（型号：Rigaku MSF 2M），该系统具有一个带Cr靶的反射测角仪，X射线管在30 k V、8 mA的条件下工作。在不同Ψ角内（范围从0°到30°，步长为6°）衍射峰偏移的效果与（211）晶面间距d的变化有关，它可用于估算残余应力。采用步长为0.2°、每步停留10 s的方式来进行扫描，以优化测量数据，扫描在151°～162°的角度范围内进行。

对于起落架每一位置处的Ψ角，XRD光谱都接收两次。观察到的XRD光谱进行背底校正，然后应用洛伦兹偏振来校正强度随角度的变化［42］，最后利用衍射峰拟合程序来定位峰的角位置。应力值的估算是根据sin2Ψ对d求偏导的图得到的，而该图是基于每个位置所测得的数据。使用210 GPa作为飞机起落架的杨氏模量以估算残余应力。这些XRD测量结果提供了大约20μm厚度表面层内的应力分布，此外测量的误差范围在±30 MPa以内。

如图4-20所示，在起落架的支柱上进行残余应力测量，通过有限元分析确定了应力临界区域。这些位置已被编号，使得应力强度随着位置编号增加而减小，即位置1与位置10相比经受更多应力。首先在一个全新的支柱上进行残余应力的测量，以获得初始残余应力，并将其作为参考值。然后测量经历了大约1 000次着陆后支柱的残余应力。通过电解抛光去除上表层后，在100μm和200μm的深度处进行残余应力的测量。虽然可以对因材料去除而造成的应力松弛进行修正，但已有研究表明，当受抛光影响的区域较小时，修正的作用不大［43］。这些深度下测得的应力变化已被用于评估疲劳损伤区的范围。此外还测量了另一个经过1 494次着陆的起落架支柱的残余应力，以估计在着陆次数增多时，上表层残余应力的重新分布。最后，对剥层和表面改性后的复原支柱进行应力测量，以检验起落架延寿工艺的实际效果。

图4-20　起落架支柱上残余应力的测量位置（位置1相较于位置10是高应力区域）

对全新的起落架支柱进行残余应力的测量，结果显示，不同位置处的压应力大小在830～875 MPa之间。通过喷丸强化的方法在全新支柱上引入残余压应力，以此来降低服役期间因疲劳载荷而导致的表面损伤程度。对分别经历了1 020次着陆和1 049次着陆的两个支柱上的10个关键位置进行残余应力的测量。表4-5列出经历了1 049次着陆的起落架支柱在10个不同位置、不同深度下的残余应力值。尽管表4-5中的值是某一支柱的，但事实上，4个不同支柱在同一位置处的应力误差在25 MPa以内。100μm和200μm深度处的残余应力值对应于表4-5的第3和第4列。结果表明，位置1和位置2处压应力减小最多，这与有限元分析的结果匹配得很好，因为这些位置被认为是应力临界区域。结果进一步表明，由疲劳引起的损伤深度会随位置而变化，同时，与其他位置相比，位置1和位置2在100μm深度处的压应力下降更多。当剥层深度达200μm时，应力值接近于全新支柱上表面的应力值。以上结果表明，只有在约1 000次着陆后，疲劳损伤才被限制在了200μm深度处。这也证实了修复的建议时间（1 000次着陆）以及修复时需要被移除的表面层厚度。

表4-5　经历了1 049次着陆的起落架支柱在10个不同位置、不同深度下的残余应力值

为了评估着陆次数与疲劳损伤的关系，在经历了1 494次着陆的支柱上，在1～6位置处进行残余应力测量。在除去表层之后再次测量这些位置处残余应力随深度的变化，增量为100μm，直到300μm。1 049次和1 494次着陆后的应力随深度的变化如图4-21所示。由于应力强度的对称性，位置1、3和5处的应力值分别与位置2、4和6相似，因此该图中的残余应力数据均取自奇数位置。图4-21清楚地表明，虽然在上表面处的应力仍然是压应力，但是1 494次着陆之后，取决于测量位置的不同，应力降低到100～270 MPa之间，而1 049次着陆之后的值为430～620 MPa。从图4-21还可以看出，在经历1 049次着陆的情况下，200μm内的疲劳损伤深度不均匀，100μm以上更不均匀，这是因为相比下面的100μm而言，上部100μm内的压应力减少得更多。但是，在1 494次着陆的情况下，沿着深度方向进行应力测量，结果表明应力随深度线性变化并且在300μm深度处达到－800 MPa，在1 049次着陆的情况下，却在200μm深度处就看到这些初始值。因此，虽然在1 049次着陆时疲劳损伤的深度限制在200μm，但是在1 494次着陆后却延伸至300μm。(https://www.xing528.com)

图4-21　1 049次和1 494次着陆后，位置1、3、5处的残余应力随深度的变化

在1 494次着陆后，位置1处上表面的低压应力值（大约100 MPa）表明该位置经历了与局部塑性变形相关的最大疲劳损伤，这引起了残余应力的再分布。残余应力的这种减小，与有限元分析中预测的位置1处有更高载荷水平的结果一致。然而，与位置3相比，位置5在上表面的残余应力经历了更大的变化（尽管位置5与位置3相比是非应力临界区域），这与有限元分析不一致。

图4-22　位置1和位置7处残余应力随着陆次数的变化

图4-22描绘了在着陆过程中两个不同应力水平下典型位置处，它们的表面应力随着陆次数的增加所发生的变化。随着着陆次数和深度的增加，应力模式的变化与Sanjay Rai等报道的相似。如前所述，位置1处的应力水平与位置7相比，在1 000次着陆时的剧烈变化清楚地表明了局部应力对累积疲劳损伤的影响。

残余应力测量也应用于修复后的起落架支柱，对位置1～6进行测量，以优化经历了约1 000次着陆的起落架的修复过程。这些测量结果显示了残余压应力在800～880 MPa的范围内，这与全新支柱测得的值（830～875 MPa压应力）相比，效果明显。

上述分析结果表明，基于XRD的残余应力测量结果可以十分可靠地作为估算飞机起落架疲劳损伤程度的工具，同时可以用于评估修复过程。