世界腐蝕日（WorldwideCorrosion Day）“由世界腐蝕組織（WCO）確立。世界腐蝕組織是于 2006 年在紐約注冊(cè)成立的非營(yíng)利學(xué)術(shù)組織。是一個(gè)代表地方及其國(guó)家的科學(xué)家、工程師和其它團(tuán)體的世界性組織。在腐蝕和防護(hù)的研究中，致力于知識(shí)的發(fā)展和傳播。

2009年經(jīng)過WCO各成員的討論并一致通過了在世界范圍內(nèi)確立每年的4月24日作為”世界腐蝕日（WorldwideCorrosion Day）“，其宗旨是喚醒政府、工業(yè)界以及我們每個(gè)人認(rèn)識(shí)到腐蝕的存在，認(rèn)識(shí)到每年由于腐蝕引起的經(jīng)濟(jì)損失在各國(guó)的 GDP 中平均超過 3%；同時(shí)向人們指出控制和減緩腐蝕的方法。

值此”2019.4.24“世界腐蝕日來臨之際，中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)會(huì)本屆世界腐蝕日專題活動(dòng)是以科普角度與公眾聊聊腐蝕的兄弟——疲勞那些事兒。

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。但本次世界腐蝕日，我們先不說兄弟倆的事兒，而是聊聊腐蝕的弟弟——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(zhǎng)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“，我們目前所用的金屬并非是完美的，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(cè)到的金屬缺陷及起始于該缺陷的金屬疲勞開裂過程

什么會(huì)是疲勞？

疲勞是指在低于材料極限強(qiáng)度（ultimate strength）的應(yīng)力（stress）長(zhǎng)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(zhǎng)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

疲勞破壞大致分為兩類：低周期疲勞（low cycle fatigue）及高周期疲勞（highcycle 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)的永久塑性變形（plasticdeformation）；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)，所以不致有永久變形。

材料疲勞破壞的進(jìn)程分為三階段：

裂紋初始（crack initiation）、裂紋成長(zhǎng)（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(zhǎng)，并使材料承載面積縮減，降低材料的承載能力。當(dāng)裂紋成長(zhǎng)到臨界長(zhǎng)度（critical length）時(shí)，材料凈承載面積下的應(yīng)力已超過材料的極限強(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(zhǎng)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)組成部份。

圖4 疲勞破壞典型斷口圖

影響疲勞強(qiáng)度的主要因素

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)。2007 年，美國(guó)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。無獨(dú)有偶，2002 年，一架由我國(guó)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。 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(guó)的 5000 艘貨船發(fā)生了近 1000 次金屬疲勞事故，200 多艘貨船徹底歇菜；1998 年，德國(guó)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。

飛機(jī)疲勞事故詳解

（一）航空史上最著名的軍用飛機(jī)疲勞破壞事件，應(yīng)該是1969年美國(guó)空軍的F-111空中解體。F-111 結(jié)構(gòu)中有個(gè)特殊的可變后掠機(jī)翼設(shè)計(jì)，這是因?yàn)楣潭ㄊ綑C(jī)翼在特定的飛行速度、高度、大氣溫度、大氣密度、引擎推力下，有最佳的性能表現(xiàn)，一旦其中某個(gè)因素改變，性能就會(huì)降低。而可變后掠機(jī)翼則完全無此缺點(diǎn)，它就像是設(shè)計(jì)各種不同的機(jī)翼，來配合飛行中不同的飛行情況，例如：起降時(shí)把機(jī)翼完全向外伸展，增加機(jī)翼的升力，縮短起降距離；亞音速巡航時(shí)則把機(jī)翼部分后掠，減少機(jī)翼的阻力；超音速貼地飛行時(shí)則將機(jī)翼全角度后掠。

F-111 于 1967 年出廠，當(dāng)年 10 月，第一個(gè) F-111 聯(lián)隊(duì)在內(nèi)華達(dá)州內(nèi)里斯（Nellis）空軍基地正式成立，8 個(gè)月之后的 1968 年 3 月 17 日，6 架 F-111 被派駐泰國(guó)執(zhí)行越南戰(zhàn)場(chǎng)上的轟炸任務(wù)，經(jīng)過幾個(gè)架次的熟悉環(huán)境飛行后，F(xiàn)-111立即開始執(zhí)行任務(wù)，但 3 月 28 日一架飛機(jī)未返航，兩天后另一架飛機(jī)也未見蹤影，第三架飛機(jī)失蹤則是發(fā)生在 4 月27 日。由于每一架飛機(jī)的飛行計(jì)劃都是由飛行組員自行擬定，且飛行途中需保持無線電靜默，因此無從知道到底發(fā)生了什么事。1969 年 12 月 22 日，編號(hào)第 94 號(hào)的 F-111 在基地上空進(jìn)行武器拋投（Weapons Delivery）訓(xùn)練飛行時(shí)墜毀，當(dāng)時(shí)飛機(jī)是低空飛越一仿真目標(biāo)后，以 3.5g（±0.5g）拉起時(shí)，左翼掉落，飛機(jī)墜毀，兩名飛行員當(dāng)場(chǎng)喪生，飛機(jī)殘骸中連接機(jī)身和左機(jī)翼的樞紐接頭（Wing Pivot Fitting）從中間斷裂成內(nèi)、外兩半，內(nèi)半塊遺留于機(jī)身上，外半塊則與機(jī)翼相連。檢查殘骸的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)樞紐接頭下緣有個(gè)制造過程遺留的半橢圓形疲勞初始裂紋瑕疵，寬約一英吋，深度幾乎穿透厚度，因此初始裂紋經(jīng)過短時(shí)間后，就成長(zhǎng)到使接頭強(qiáng)制破壞的臨界長(zhǎng)度。

（二）2007 年 11 月 2 日 上 午， 一 架 隸屬于美國(guó)密蘇里州空中國(guó)民兵（AirNational Guard）的 F-15C，在執(zhí)行訓(xùn)練任務(wù)時(shí)突然空中解體，就是上述顧慮的最佳例證。失事當(dāng)時(shí)，這架編號(hào) 80-0034 的 F-15C 正執(zhí)行基本戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)動(dòng)（Basic Fighter Maneuvers）演練，與僚機(jī)進(jìn)行一對(duì)一的空中攻擊及防御動(dòng)作訓(xùn)練。在進(jìn)行第二次的接戰(zhàn)練習(xí)時(shí)，失事機(jī)以 450 節(jié)的空速快速右轉(zhuǎn)，機(jī)體承受負(fù)載約為7.8G，此時(shí)機(jī)體開始劇烈抖動(dòng)，飛行員立即將飛機(jī)改為平飛狀態(tài)，機(jī)體承受負(fù)載迅速降到 1.5G，數(shù)秒鐘后，前機(jī)身于座艙罩后面位置處斷裂并與機(jī)體完全脫離，機(jī)體空中解體為兩截，所幸飛行員跳傘后平安獲救。

F-15C 80-0034空中解體示意圖

失事后的調(diào)查報(bào)告顯示︰失事發(fā)生原因?yàn)闄C(jī)身斜站位（Canted FuselageStation）CFS337 處 的 右 側(cè) 上 縱 梁 斷裂，失事機(jī)上縱梁殘骸經(jīng)金相分析（Metallurgical Analysis）后，發(fā)現(xiàn)破斷面處的厚度僅有 0.039 英吋（不到一毫米）到 0.073 英吋，完全不符合藍(lán)圖規(guī)定的 0.090 到 0.110 英吋厚度，且上縱梁表面粗度（surface roughness）也較藍(lán)圖規(guī)定粗糙。過薄的破斷面直接造成上縱梁局部應(yīng)力大幅升高，在反復(fù)的飛行負(fù)載作用下，上縱梁很容易由粗糙面產(chǎn)生多處的疲勞初始裂紋，繼而在后續(xù)的飛行負(fù)載中持續(xù)成長(zhǎng)，最后導(dǎo)致上縱梁完全斷裂。

問題就出在這根縱梁上

對(duì)其他F-15檢查后也發(fā)現(xiàn)了裂紋

這架 F-15C 于 1982 年開始服役，失事時(shí)飛行時(shí)數(shù)接近5,900小時(shí)。F-15C原始設(shè)計(jì)規(guī)范為”安全壽命“（SafeLife），服役壽限為 4,000 飛行小時(shí)，在美國(guó)空軍頒布”容許損傷“（DamageTolerance）設(shè)計(jì)規(guī)范后，重新依據(jù)此規(guī)范進(jìn)行分析，服役壽限延長(zhǎng)到 8,000 飛行小時(shí)，并以 16,000 飛行小時(shí)的全機(jī)疲勞試驗(yàn)來加以驗(yàn)證。由于分析數(shù)據(jù)顯示上縱梁的裂紋成長(zhǎng)壽命高達(dá) 31,000飛行小時(shí)，依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范其定期檢查時(shí)距為 15,500 飛行小時(shí)，遠(yuǎn)超過飛機(jī)的服役壽限，且上縱梁在全機(jī)疲勞試驗(yàn)過程中也未發(fā)現(xiàn)有任何損傷，所以雖屬攸關(guān)飛行安全的主要結(jié)構(gòu)件，但在服役期間內(nèi)并不需要進(jìn)行定期檢查。

疲勞對(duì)策難道我們就對(duì)邪惡的金屬疲勞束手無策了嗎？非也。

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(zhǎng)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。

在飛機(jī)制造領(lǐng)域，增強(qiáng)”金屬免疫力“是對(duì)抗金屬疲勞的有效方法。一方面，在鋼鐵和有色金屬中，加進(jìn)微乎其微的稀土元素，可以大大提高金屬的抗疲勞屬性，延長(zhǎng)使用壽命；另一方面，減少金屬材料中的雜質(zhì)也能增強(qiáng)”金屬免疫力“，延長(zhǎng)金屬使用壽命。雜質(zhì)對(duì)疲勞性能和應(yīng)力腐蝕性能影響很大，例如，對(duì)于超高強(qiáng)度鋼的金屬性能，國(guó)際上是通過控制硫和磷的雜質(zhì)含量來保證的。在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)于每一種雜質(zhì)的最高含量，以及所有雜質(zhì)含量之和都有明確的要求。在金屬構(gòu)件上盡量避免生銹，用輔助工藝提高表面光潔度，以及對(duì)產(chǎn)生震動(dòng)的機(jī)械采取防震措施，都能有效防止金屬疲勞。

在必要的時(shí)候，對(duì)金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，也是預(yù)防金屬疲勞的常用方法。

經(jīng)過科學(xué)家們的不懈努力，如今已有多種方法可以檢測(cè)金屬的疲勞，超聲波、紅外線、γ 射線等都能對(duì)金屬進(jìn)行體檢。日本的科學(xué)家還發(fā)明了一種摻入鈦酸鉛粉末的特殊涂料，在敲擊金屬時(shí)，金屬表面的涂料薄膜中會(huì)有電流通過，且電流的大小和金屬的疲勞程度有關(guān)，通過測(cè)量這股電流，便可知道金屬究竟有多”累“。

結(jié)束語(yǔ)

中國(guó)工程院趙振業(yè)院士呼吁，加速抗疲勞制造研究發(fā)展，建立抗疲勞制造、極限壽命設(shè)計(jì)、極限性能材料新三位一體技術(shù)體系是機(jī)械制造升級(jí)轉(zhuǎn)型的當(dāng)務(wù)之急，是提升國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的根本道路，是實(shí)現(xiàn)機(jī)械制造強(qiáng)國(guó)的根本道路。強(qiáng)硬如金屬尚且如此，雖然算不上什么新知，但也從某一種角度提醒著我們：革命尚未成功，我輩仍須強(qiáng)韌性、減疲勞，來日方長(zhǎng)。