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？

根據一份1997年發表的研究報告，從1954年到1995年這40年間，共約發生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象。由于總是發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），此周期內的材料受力狀態，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。在此受力過程中，每一個應力周期所經歷的時間長短（即︰頻率）與疲勞關系甚微，應力周期的振幅及累積次數才是決定疲勞破壞發生的時機；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，發生疲勞破壞時的應力周期次數少于十萬次者，稱為低周期疲勞；高于此次數者，稱為高周期疲勞。低周期疲勞的作用應力較大，經常伴隨著結構的*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，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常發生于幾何形狀不連續處，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，就會有相當的潛在飛行安全風險。

腐蝕

腐蝕是個存在已久的老問題，亞熱帶高溫潮濕的環境更有利于腐蝕的發生。本質上，腐蝕是個無法避免的過程，只能以適當的處置來延緩其發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，對飛行安全或節省維修經費，都會有莫大的幫助。

廣義來說，腐蝕是指材料受到環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）型態存在的情況zui穩定，一旦經由各種精煉過程成為純物質或合成物質的型態，就成為不穩定狀態，而腐蝕就是材料恢復穩定的一種方式。

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較容易發生腐蝕，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）反應發生，進而加快腐蝕速率，因此東南亞地區的年平均空氣濕度固然高于北美或歐洲大陸地區，但兩地區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*年度維護經費近四分之一，腐蝕所導致的巨大經濟損失，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、現象、預防或處置方式進行探討。

麻點腐蝕

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

麻點腐蝕是一種局部的腐蝕現象，金屬表面呈現多處點狀的銹蝕，直徑可由0.002到0.2公分，腐蝕方向為垂直向下侵蝕，發生原因是由于環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，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，加上潮濕的環境有類似電解液的功用，致其中某一材料會產生坑洞狀的腐蝕，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，則此不銹鋼成為活性材料；若成氧化鉻的型態，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）。

環境因素是造成鱗落腐蝕的主因，例如環境中有氯化物和溴化物（bromide）離子的存在、高溫、酸性的環境、間歇性的干和濕……等，后者尤其會產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，短時間內會被腐蝕而破碎。

鱗落腐蝕的一般處理原則是磨除腐蝕區域，再加以適當的表面防蝕處理。

應力腐蝕

應力腐蝕是材料在化學侵蝕環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出現，而應力腐蝕則以裂紋的型態出現，且表面幾乎沒有任何腐蝕物堆積的現象，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境中，根據統計，應力腐蝕損壞zui常出現于低合金鋼（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）和環境同時作用的結果，輪流作用不會產生應力腐蝕，且應力大小沒有的關系。應力大，環境的因素就比較小；應力小，環境的因素就比較大。

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，所以一旦發現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境，雖然許多環境都能產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（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，在經費考慮下，一般采取的方式是對容易發生疲勞裂紋的位置執行定期檢查。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域，縱然有疲勞或腐蝕，經由擇要檢修（Inspectionand Repair As Necessary，IRAN）后很容易發現并排除，因此不至于對機隊安全造成困擾。

現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。

現行*方式是在機上安裝傳感器，即時探測并回報機上發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費拮據，這種方式與節省經費的初衷背道而馳，要獲得實行并不容易。

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