上周，一則中式菜刀在拍蒜時斷裂的新聞登上了新聞熱搜榜，引發(fā)了大眾熱議。

對冶金技術(shù)和機械加工有所了解的人并不難理解這種事故發(fā)生的原因：

【資料圖】

主流的現(xiàn)代中式菜刀，其主結(jié)構(gòu)是一塊整體式的異形鋼板，只是一側(cè)開有刃口，整體經(jīng)過熱處理以調(diào)節(jié)硬度和韌性。在原料、工藝、受力結(jié)構(gòu)上，它屬于簡單、成熟，且最為基礎(chǔ)性的產(chǎn)品。

但是從安全原則和常識認知來說，菜刀在揮砍和拍擊食物的過程中斷裂，確實是難以容忍的，說明產(chǎn)品質(zhì)量存在問題。如果排除了性能上硬度與韌性相互協(xié)調(diào)的設(shè)計錯誤，那么根源問題只可能存在于原料和工藝的品質(zhì)控制方面，尤其是一致性控制方面。

而這樣的品質(zhì)控制問題，也同樣可能出現(xiàn)在涉及大量金屬原料加工、生產(chǎn)和應用的航空航天工業(yè)領(lǐng)域。

2011年5月9日，澳航的一架波音747在新加坡附近發(fā)生事故。據(jù)調(diào)查，這是一起因航發(fā)葉片疲勞斷裂而導致的事故，圖為斷裂件。一般來說，航空發(fā)動機在材料和工藝一致性上的瑕疵是此類事故的主要原因。

從原因上講，拍蒜斷刀事件最主要的誘發(fā)因素有兩個：原材料一致性和熱處理工藝一致性問題，而且兩者之間存在關(guān)聯(lián)性關(guān)系。

如果同樣的問題延展到航空產(chǎn)品中，會以怎樣的形式出現(xiàn)？

原料一致性

對于作為原材料的鋼板，化學成分的不同和組織形態(tài)的不同都會導致其力學性能存在重大差異。

理想的金屬原料應該是化學成分與對應牌號標準高度符合，而且整個材料內(nèi)的組織分布均勻一致。但在實際生產(chǎn)過程中，這一點并沒有那么容易做到。

鋼板的原材料鐵主要來自礦石或回收的廢舊金屬，每批鐵金屬的成分其實是大不相同的。

在工業(yè)體系不甚完備、管理和生產(chǎn)設(shè)備不先進、而具體生產(chǎn)人員技藝經(jīng)驗又不豐富的情況下，如果沒有針對每一批原料的差異進行精確的工藝方案調(diào)整，是難以生產(chǎn)出成分與組織形態(tài)的高度一致的鋼板材料的。

這種成分與組織形態(tài)上的不一致，最終就會成為刀具在硬度/韌性等力學性能上的缺陷根源，并在后續(xù)的熱處理等加工工藝中被急劇放大。

如鋼板材料中含鎳過少、含碳過多，組織成分還不均勻，那么做成刀具后，低鎳高碳最嚴重的局部區(qū)域，其韌性和強度就會特別差——一旦遭受強烈沖擊，這個部位就會成為斷裂的源頭。

藍色腐蝕后，鈦合金樣件表面呈現(xiàn)藍色，金屬組織的不同區(qū)域會形成色澤深淺不一的表面氧化膜。黑圈中就是典型的夾渣缺陷，帶有此種缺陷的原料不能用于鈦合金航發(fā)葉片制造。

上圖中缺陷部位被放大一百倍后的顯微成像。

藍色腐蝕下，鈦合金的α相偏析（一類內(nèi)部化學成分和組織分布不均勻的現(xiàn)象）也暴露得非常明顯。傳統(tǒng)的硝酸/氫氟酸缺陷檢查工藝，很難檢測此類缺陷。

在航空產(chǎn)品中，尤其是作為飛機動力核心產(chǎn)品的航空發(fā)動機中，這樣的問題也是設(shè)計與生產(chǎn)體系需要高度重視的領(lǐng)域。

比如航空發(fā)動機的葉片、軸等高速旋轉(zhuǎn)的鈦合金部件，對于原料的成分和組織一致性就有著非常高的要求。

諸如氧、氮、碳等化學成分含量不符標準、分布不均帶來的偏析，足以使第三代渦扇發(fā)動機的壓氣機葉片的振動疲勞壽命降低到正常標準的幾百分之一乃至幾千分之一。

工藝一致性

從拍蒜斷刀的新聞來說，能不能得到合格的菜刀，熱處理環(huán)節(jié)的重要性不亞于材料本身的工藝處理環(huán)節(jié)。

比如鋼材在高溫狀態(tài)下驟然冷卻就能有效改變內(nèi)部的金屬組織形態(tài)，可以極大提升硬度。但是高溫狀態(tài)具體溫度是多少度？該用多少度的油或水來冷卻？冷卻多久？……這些環(huán)節(jié)就很考驗工藝水平了。

在理解工藝一致性問題后，就可以輕易看穿一些街頭把戲的真相。如“徒手斷鋼”表演，其核心原理就是通過熱處理使鋼鐵變得極易脆斷，可以被拳腳直接打斷。

熱處理工藝做得好，刀具就能夠在硬度和韌性之間能取得較好的平衡，耐用還好打磨。

而要做好熱處理工藝，不但設(shè)備狀態(tài)要好，要能夠準確地探測和調(diào)節(jié)溫度，也要求一線操作工人經(jīng)驗豐富、耐心負責——對每一個批次的原材料，都要仔細測定實際成分，然后通過試驗調(diào)整出熱處理方案。

在刀具制造領(lǐng)域應該注意的這些問題，也同樣存在于航空發(fā)動機核心部件的制造過程中。

以航空發(fā)動機的鈦合金旋轉(zhuǎn)部件為例：

鈦合金本身導熱性很差，內(nèi)部的組織形態(tài)對于熱處理過程極為敏感。不僅單次熱處理中經(jīng)常要進行復雜和耗時漫長的保溫、降溫流程，而且往往需要進行多次熱處理——比如葉片和葉盤這樣的鍛件，通常需要兩次退火。

氫脆的機理。

由于氫脆而失效的自鎖螺母。

特別是鈦合金件，在調(diào)整尺寸、檢驗并消除表面缺陷的過程中，需要使用氫氟酸等材料進行化學腐蝕，這個過程中鈦合金容易在酸性環(huán)境下吸氫，容易發(fā)生會導致危險的“氫脆”隱患。

為避免氫脆的發(fā)生，制造商需要讓鈦合金件在壓力極低的真空狀態(tài)下保持高溫狀態(tài)，才能讓氫從金屬件中逸出。而一旦真空退火的過程中，退火環(huán)境不能保證應有的真空度和溫度控制，那么制造出來的航空發(fā)動機成品在實際使用中就會變得極為短壽，而且存在較大的猝發(fā)性斷裂風險。

結(jié) 語

航空制造業(yè)之所以能成為人類工業(yè)體系的頂點之一，根本原因就在于它對于產(chǎn)品性能的苛刻要求——高性能、高可靠性，這是所有高端工業(yè)制造領(lǐng)域的共性。

如果不具備其他工業(yè)產(chǎn)品所難以企及的性能和可靠性優(yōu)勢，那么從市場角度來說，消費者就不會為航空產(chǎn)品支付更高的價格——這樣的“買單”，是航空產(chǎn)業(yè)鏈形成良性循環(huán)、不斷實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級的主要基礎(chǔ)。

相對于航空發(fā)動機完整產(chǎn)品的所有設(shè)計和生產(chǎn)工作量來說，制造原料的一致性控制這一環(huán)節(jié)，耗費成本僅占整體工作的5%至10%。

但是這5%至10%恰恰是決定航空產(chǎn)品邊際效用價值的關(guān)鍵所在——對于基礎(chǔ)材料和工藝的把控，能夠決定最終的航空發(fā)動機產(chǎn)品是只能在壟斷保護下生存的“溫室花朵”，還是能獲得更高溢價且供不應求的市場贏家。

關(guān)鍵詞： 發(fā)動機的