相信大家都聽過“蝴蝶效應”這個詞吧，常見的闡述是這樣的：南美洲亞馬遜熱帶雨林中的一只蝴蝶偶爾扇動了幾下翅膀，兩周后美國德克薩斯州迎來了一場龍卷風。

  蝴蝶與龍卷風

    后來拍的電影《蝴蝶效應》更是精彩，主角們多次回到過去企圖改變未來，卻沒想到把世界弄得更糟了。這個詞的寓意就在于看似極其不經意的小細節，經過不斷放大，都可能引發很嚴重的后果。

    在航空領域，小小的裂紋又何以釀成機毀人亡的重大慘劇？那么今天就跟小編一起來了解一下疲勞破壞中暗含的蝴蝶效應。

    1.什么是疲勞破壞

    疲勞破壞是指材料、零構件在低于其強度極限的應力或應變循環往復作用下，在一處或幾處逐漸產生局部永久性累計損傷，經過一定循環次數后產生裂紋或突然發生完全斷裂的過程，且在斷裂之前沒有明顯的宏觀塑性變形。

    比如說對于細鐵絲，如果我們想用手將其直接拉斷，那真是難于上青天，估計是吃了菠菜的大力水手才能辦到；但如果我們反復彎折鐵絲上的某一點，沒一會兒鐵絲輕松斷了，這就是巧妙地利用了金屬疲勞的效應。

彎折鐵絲

    2.疲勞的特點

    1）疲勞為低應力循環延時斷裂，即斷裂的發生有一定的壽命，其斷裂應力水平往往低于材料的抗拉強度甚至是屈服強度；

     疲勞強度隨循環加載次數的增加而減小

    2）疲勞為脆性斷裂，由于一般疲勞的應力水平比屈服強度低，所以不論是韌性材料還是脆性材料，在疲勞斷裂前均不會發生塑性變形；

    疲勞斷裂是脆性斷裂

    3）疲勞對缺陷（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，所以它對缺陷具有高度的選擇性。

    各種金屬缺陷的微觀結構

    3.疲勞斷裂的影響因素

    由于疲勞斷裂一般是從零件表面應力集中處或材料缺陷處發生的，因此影響其疲勞強度的因素可基于此分為內因和外因。內因主要是指材料成分、組織結構和表面狀況等，外因包括溫度、介質、載荷及其加載方式等。

    其中，外因中最具推動作用的是外部交變載荷。一般把大小、方向周期性變化的應力叫做循環應力，相對地無規則變化的力叫做隨機變動應力。

    循環應力與隨機變動應力

    不同的交變載荷具有不同的疲勞效果。從斷裂壽命來看，一般加載循環次數大于100000次的疲勞斷裂叫做高周疲勞（也叫低應力疲勞）；加載循環次數處于100~100000次之間的叫做低周疲勞（也叫高應力疲勞）。通俗來說，前者好比是少食多餐，后者則是暴飲暴食。

    高周疲勞與低周疲勞示意

    應力應變回線反應循環加載的硬化和軟化現象

    內因中，從材料成分入手，可以繪制出各種金屬材料的疲勞曲線圖。可以很明顯地看到，金屬疲勞曲線有兩大類。

    一類是有水平線段的曲線，該水平線段代表了材料的疲勞極限，一般的結構鋼及球墨鑄鐵等材料具有此類特性；另一類是無水平線段的曲線，表示材料沒有疲勞極限，像有色金屬、不銹鋼和高強度鋼等，意味著可以承受更多次的循環加載。

    兩類金屬疲勞曲線

    4.疲勞斷裂的過程機理

    疲勞斷裂包括疲勞裂紋萌生，裂紋亞穩擴展及最后失穩擴展三個階段。材料整體的疲勞壽命是由疲勞裂紋萌生期和裂紋亞擴展期的時間累加而得到。

   疲勞斷裂的前兩個主要階段

    其中，疲勞裂紋萌生本質上是由不均勻的局部滑移和顯微開裂引起的，主要方式有表面滑移帶的開裂，第二相、夾雜物或其晶界等處的開裂以及晶界或亞晶界處的開裂。

     晶界開裂

    裂紋亞穩擴展的形成機理是首先從個別侵入溝或擠出脊先形成微裂紋，再沿著最大切應力方向向內擴展；之后由于晶界的阻礙作用，裂紋沿著垂直拉應力方向擴展，直到最后形成剪切唇為止。

  
    剪切唇示意圖

    5.疲勞破壞的危害

    在現代工業的各個領域中，大約有50%~90%的金屬材料結構強度破壞都是由于疲勞破壞造成的，如軸、曲軸、連桿、彈簧、螺栓、壓力容器、輪機葉片和焊接結構等。

    齒輪的疲勞破壞

      金屬材料無論是塑性材料還是脆性材料，疲勞破壞都是突然發生的，事先沒有明顯的塑性變形和事故征兆；因此，這種破壞具有很大的危險性，嚴重威脅重大設備的正常運行和操作人員的生命。

    航空史上最著名的軍用飛機疲勞破壞事件，當屬1969年美國空軍的F-111空中解體。1969年12月22日，編號第94號的F-111在基地上空進行武器拋投訓練，在拉起飛行時，左翼掉落，飛機墜毀，兩名飛行員當場喪生，飛機殘骸中連接機身和左機翼的樞紐接頭從中間斷裂成兩半。事后檢查殘骸發現，是樞紐接頭下緣的半橢圓形疲勞初始裂紋瑕疵導致的。

    1979年5月25日，一架滿載乘客的美國航空公司DC-10型三引擎巨型噴氣客機，從芝加哥起飛不久，就失去了左邊一具引擎，隨即著火燃燒，然后爆炸墜地。機上273名乘客和機組人員無一幸免。事后的殘骸檢查中發現，這架飛機上一個連接引擎與機翼的螺栓因金屬疲勞折斷，從而導致了引擎燃燒爆炸。

      6.航空抗疲勞制造技術

    如前面所說，疲勞壽命受許多因素的影響，包括表面殘余應力、表面微觀組織、缺口效應、尺寸效應、表面效應、材料強度、硬度以及腐蝕環境等多種因素。因此，在航空制造技術中，提高其抗疲勞性能的方法無外乎針對這些要素對癥下藥，總的來說可以分為物理、化學、機械和高能束處理四個方面。

    1）物理方法

    物理方法通過提高材料表層的硬度和強度提升材料抗疲勞的性能，其特點是不改變表層化學成分，通過表層相變來提高零件的疲勞強度，在航空制造中，表面淬火是一種常用的方法。

     航空發動機外殼的表面淬火

    由于淬硬層中的馬氏體組織很細，硬度和強度比一般整體淬火的高，因而具有較好的抗粘著磨損與疲勞磨損能力；同時馬氏體的比容較大，使得淬硬層中存在較大的殘余壓應力。這種具有殘余壓應力的高硬度表面層能使工件的疲勞強度明顯提升。

    2）化學方法

    化學方法是利用化學熱處理技術通過改變表慢化學成分，并形成單相或多相的擴散層來大大提高材料表層的硬度，同時還可以建立很高的殘余壓應力，從而提高材料的疲勞性能。主要方法包括滲碳、滲氮、碳氮共滲、磷化和陽極氧化等工藝。近年來，離子滲碳、真空擴滲、滲硼和多元素共滲等新方法也得到了較大的發展。

    3）機械方法

    機械方法的突出特點是利用冷變形技術，使金屬材料表面產生形變硬化層，并引入高殘余壓應力，因而能夠減少疲勞應力作用下裂紋的形核并抑制裂紋的早期擴展，從而顯著提高機械零件的抗疲勞斷裂和抗應力腐蝕開裂的能力。主要工藝方法包括滾壓、擠壓、噴丸、干涉配合和拋光處理等。

    在航空制造中，孔的冷擠壓強化工藝已廣泛應用于航空工業發達國家的軍機和民機，同時干涉孔配合工藝更是大大促進了其成功應用，使得抗疲勞效果更為顯著。

    孔擠壓強化處理的渦扇發動機

    4）高能束處理

    高能束處理技術是在材料局部表面施以高密度的能量，并使之發生物理、化學變化，達到顯著提升抗疲勞能力的目的。目前正在研究和應用的技術有激光沖擊、激光相變硬化、激光熔凝、激光合金化以及離子注入等。

    航空制造中很受歡迎的一種方法是激光相變硬化法。該種工藝不改變物質的狀態，強化后材料表面仍很光滑，變形也很小；同時處理后的表層內應力為壓應力，對材料的疲勞性能有很大的提高，有較大的技術經濟效果。

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責任編輯：王元

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