腐蝕與疲勞的“兄弟情"     

腐蝕與疲勞均為材料構(gòu)件失效的主要形式，在多種情況下，二者相輔相成，相互促進(jìn)，共同對(duì)材料發(fā)起攻擊，儼然一對(duì)團(tuán)結(jié)互助的“好兄弟"。這對(duì)“好兄弟"一起出現(xiàn)時(shí)就是腐蝕疲勞，腐蝕疲勞是指材料在交變載荷和腐蝕介質(zhì)的協(xié)同、交互作用下發(fā)生的一種破壞形式，廣泛存在于航空、船舶以及石油等領(lǐng)域，腐蝕疲勞破壞是工程上面臨的嚴(yán)重問題，現(xiàn)已成為工業(yè)領(lǐng)域急需解決的課題。今天就讓我們來聊聊腐蝕的兄弟——金屬疲勞那些事兒。金屬為什么會(huì)疲勞？     

生活經(jīng)驗(yàn)告訴我們，要想徒手拉斷鐵絲是非常困難的，但如果反復(fù)折幾下卻很容易折斷。這表明，即使反復(fù)變化的外力遠(yuǎn)小于能將金屬直接拉斷的恒力，也會(huì)使它的機(jī)械性能逐漸變?nèi)醪⒆罱K損毀。金屬的這種現(xiàn)象和人在長期工作下的疲勞非常像，科學(xué)家們便形象地稱其為“金屬疲勞"。     

不少小伙伴都會(huì)疑惑：人累了會(huì)疲勞，怎么堅(jiān)硬的金屬也會(huì)疲勞呢？正所謂“黃金無足色，白璧有微瑕"，在加工或使用的過程中，金屬總會(huì)存在一些缺陷，比如內(nèi)部有雜質(zhì)或孔洞、表面有劃痕。這些缺陷往往只有微米量級(jí)，很難通過肉眼觀察，如果給金屬施加一個(gè)不變的拉力，它們并不容易產(chǎn)生裂縫。可如果外力是反復(fù)變化的，一會(huì)兒是拉力一會(huì)兒是壓力，一部分能量就會(huì)轉(zhuǎn)換成熱，積累在金屬內(nèi)部，一旦超過某個(gè)限度，金屬就很容易在缺陷處發(fā)生原子間的化學(xué)鍵斷裂，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂。顯微鏡觀測到的金屬缺陷及起始于該缺陷的金屬疲勞開裂過程疲勞到底是什么呢？     

疲勞是指在低于材料極限強(qiáng)度 (ultimate strength) 的應(yīng)力 (stress) 長期反復(fù)作用下，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)終于破壞的一種現(xiàn)象。由于總是發(fā)生在結(jié)構(gòu)應(yīng)力遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)容許最大應(yīng)力的情況下，因此，常能躲過一般人的注意而不被發(fā)覺，這也是疲勞最危險(xiǎn)的地方。     

 材料在承受反復(fù)應(yīng)力的作用過程中，每一次的應(yīng)力作用稱為一個(gè)應(yīng)力周期 (cycle)，此周期內(nèi)的材料受力狀態(tài)，由原本的無應(yīng)力先到達(dá)最大正應(yīng)力（拉伸應(yīng)力），然后到達(dá)最大負(fù)應(yīng)力（壓縮應(yīng)力），最后回到無應(yīng)力狀態(tài)。在此受力過程中，每一個(gè)應(yīng)力周期所經(jīng)歷的時(shí)間長短（即頻率）與疲勞關(guān)系甚微，應(yīng)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(shí)機(jī)。另外，壓縮應(yīng)力不會(huì)造成疲勞破壞，拉伸應(yīng)力才是疲勞破壞的主因。材料承受反復(fù)應(yīng)力的作用過程     疲勞破壞大致分為低周期疲勞 (low cycle fatigue) 和高周期疲勞 (high cycle fatigue)。一般而言，發(fā)生疲勞破壞時(shí)的應(yīng)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(yīng)力較大，經(jīng)常伴隨著結(jié)構(gòu)的塑性變形 (plastic deformation)；高周期疲勞的作用應(yīng)力較小，結(jié)構(gòu)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(jìn)程分為：裂紋初始 (crack initiation)、裂紋成長 (crack growth)、強(qiáng)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(jié)晶面 (crystallography plane) 相互滑移 (slip)，形成不可逆的差排 (dislocation) 移動(dòng)，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(yīng)力周期的拉伸應(yīng)力連續(xù)拉扯下逐漸成長，使材料承載面積縮減，降低材料的承載能力。當(dāng)裂紋成長到臨界長度 (critical length) 時(shí)，材料凈承載面積下的應(yīng)力超過材料的極限強(qiáng)度，此時(shí)的材料強(qiáng)制破壞也就無法避免了。

疲勞破壞特點(diǎn)

突然性斷裂時(shí)并無明顯的宏觀塑性變形，斷裂前沒有明顯的預(yù)兆，而是突然地破壞；低應(yīng)力疲勞破壞在循環(huán)應(yīng)力的最大值，遠(yuǎn)低于材料的抗拉強(qiáng)度或屈服強(qiáng)度的情況下就可以發(fā)生；重復(fù)載荷疲勞破壞是多次重復(fù)載荷作用下產(chǎn)生的破壞，它是較長期的交變應(yīng)力作用的結(jié)果，疲勞破壞往往要經(jīng)歷一定時(shí)間，與靜載下的一次破壞不同；缺陷敏感疲勞對(duì)缺陷（例如缺口、裂紋及組織缺陷）十分敏感，由于疲勞破壞是從局部開始的，所以它對(duì)缺陷具有高度的選擇性；疲勞斷口疲勞破壞能清楚地顯示出裂紋的發(fā)生、擴(kuò)展和最后斷裂三個(gè)組成部分。

疲勞強(qiáng)度影響因素     

 影響疲勞強(qiáng)度的因素比較多，以下幾類因素在航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、制造中需要重點(diǎn)予以考慮。應(yīng)力集中疲勞源總是出現(xiàn)在應(yīng)力集中的地方，必須注意構(gòu)件的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)以避免嚴(yán)重的應(yīng)力集中，比如加大剖面突變處的圓角半徑；表面狀態(tài)疲勞裂紋常常從表面開始，所以表面狀態(tài)對(duì)疲勞強(qiáng)度會(huì)有顯著的影響，表面加工越粗糙，疲勞強(qiáng)度降低、越嚴(yán)重；溫度一般隨著溫度的升高，疲勞強(qiáng)度會(huì)降低。

疲勞的危害     

雖然很多人都沒聽過金屬疲勞的事兒，但它卻廣泛潛伏在人們的日常生活中，常常引發(fā)出人意料的嚴(yán)重事故。據(jù)估計(jì)，約90%的機(jī)械事故都和金屬疲勞有關(guān)。      2002年，一架由我國中國臺(tái)灣飛往香港的波音747客機(jī)在澎湖附近海域解體墜毀，造成包括機(jī)組成員在內(nèi)共225人不幸罹難。事后調(diào)查認(rèn)為，飛機(jī)上一塊修補(bǔ)過的蒙皮發(fā)生了嚴(yán)重的金屬疲勞開裂，造成機(jī)尾脫落，最終導(dǎo)致飛機(jī)因艙體失壓而解體。

      2007年，美國空軍的一架F-15戰(zhàn)斗機(jī)在模擬空戰(zhàn)時(shí)，戰(zhàn)機(jī)機(jī)頭與機(jī)身分離，飛行員彈射出艙，這次事故造成美軍F-15戰(zhàn)機(jī)大面積停飛，調(diào)查結(jié)果顯示，事故起因于飛機(jī)上的一根金屬縱梁發(fā)生了疲勞。

      除了飛行事故，輪船、列車、橋梁、汽車等，也常因金屬疲勞招致災(zāi)難。二戰(zhàn)期間，美國的5000艘貨船發(fā)生了近1000次金屬疲勞事故，200多艘貨船歇菜；1998年，德國一列高速行駛的動(dòng)車因車輪輪箍的疲勞斷裂而脫軌，造成100余人死亡。

抑制疲勞的方法     我們了解疲勞相關(guān)的內(nèi)容，最終目的是要預(yù)防或者減少航空發(fā)動(dòng)機(jī)等機(jī)械構(gòu)件發(fā)生疲勞失效的情況，進(jìn)行長壽命設(shè)計(jì)。如下這些措施常用于提高結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度：結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中盡量避免產(chǎn)生應(yīng)力集中，對(duì)過渡圓角、螺栓孔等容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的部位進(jìn)行優(yōu)化，疲勞往往出現(xiàn)在這些應(yīng)力集中部位。嚴(yán)格控制溫度疲勞強(qiáng)度一般隨著溫度的升高急劇下降，不能為了性能達(dá)標(biāo)而一味地提高溫度。采用強(qiáng)化措施采用各種表面強(qiáng)化處理、孔擠壓強(qiáng)化等。提高零件加工質(zhì)量裂紋往往出現(xiàn)在材料缺陷或者加工缺陷位置，必須加強(qiáng)零部件加工制造工藝，嚴(yán)格控制關(guān)鍵位置的加工精度和加工質(zhì)量，減少疲勞源，防止超差等質(zhì)量問題引起的疲勞失效。