疲勞是一切工程機(jī)械的一個(gè)致命殺手。這里所說的工程機(jī)械包括天上飛的飛機(jī)，地上跑的火車、汽車與坦克，海上駛的輪船、潛水艇，以及核電站、離心機(jī)、汽輪機(jī)葉片等等。根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，機(jī)械零件（如像車軸、曲軸、連桿、齒輪、彈簧、螺栓）破壞的50%～90%均為疲勞破壞。另有報(bào)道，疲勞失效占飛機(jī)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)全部構(gòu)件破壞的49%。除此之外，壓力容器、海洋石油平臺(tái)和多種焊接結(jié)構(gòu)（如橋梁、塔架等），就連家庭用具（包括自行車、衣柜的合頁(yè)和廚房里水龍頭手把等）都會(huì)發(fā)生疲勞破壞。

    觸目驚心的疲勞破壞案例

    1 “彗星”號(hào)飛機(jī)的慘痛歷史

    疲勞是飛機(jī)的第一殺手。世界第一個(gè)大型噴氣客機(jī)“彗星”號(hào)（Comet）就是由于疲勞破壞失事而成為短命的機(jī)型。“彗星”號(hào)飛機(jī)（請(qǐng)見圖1）是英國(guó)德？哈維蘭（de Havilland）公司于1949年設(shè)計(jì)、1952年正式投入試飛運(yùn)營(yíng)的。這架新型飛機(jī)可以載乘80名旅客，以800千米/小時(shí)的速度在萬米的高空飛行。同時(shí)，它又是密封機(jī)艙；旅客在10000米的高空，沒有任何不適的感覺。而且，它飛行平穩(wěn)，被認(rèn)為是當(dāng)時(shí)在載客人數(shù)、飛行速度、舒適程度等方面都是最先進(jìn)的，是當(dāng)時(shí)世界首屈一指的大型噴氣式客機(jī)。

 圖1 英國(guó)德哈維蘭彗星號(hào)（de Havilland Comet）

    飛機(jī)1954年1月10日，“彗星1號(hào)”客機(jī)從意大利的羅馬起飛，航班的目的地是英國(guó)倫敦。然而不幸的是，起飛后不到半小時(shí)，機(jī)身突然在空中爆裂，隨即從9000米的高空墜入地中海，機(jī)上所有乘客和機(jī)組人員全部罹難。這次事故震驚了全世界。此前，人們對(duì)空難的認(rèn)識(shí)并無深刻印象。英國(guó)的航空專家成立了專門的調(diào)查組，分析事故原因。更令人震驚的是，時(shí)隔不久， 另一架“彗星”號(hào)飛機(jī)也發(fā)生了同樣的事故，墜毀在意大利的那不勒斯海中。在1953年5月至1954年4月的不到一年的時(shí)間里，投入航線的9架“彗星”號(hào)飛機(jī)，竟有3架以完全相同的方式在空中解體。打撈出來的飛機(jī)殘骸中，一扇窗戶上發(fā)現(xiàn)有裂痕。與此同時(shí)，研究人員對(duì)已經(jīng)停飛的“彗星”號(hào)飛機(jī)逐個(gè)進(jìn)行嚴(yán)格的試驗(yàn)檢測(cè)，他們把飛機(jī)放在一個(gè)極大的水槽里，用水反復(fù)加壓，模擬飛機(jī)在空中高速飛行時(shí)受到空氣摩擦、阻力、壓力、震動(dòng)等各種載荷的影響。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)前后一共進(jìn)行了9000多個(gè)小時(shí)，發(fā)現(xiàn)飛機(jī)蒙皮出現(xiàn)了裂痕，與失事飛機(jī)殘骸上的裂痕相似。結(jié)論有了：“彗星”號(hào)飛機(jī)在飛行中由于金屬部件發(fā)生疲勞裂紋而造成了解體事故。歷史表明，如果不是“彗星”號(hào)飛機(jī)事故，人們對(duì)疲勞的認(rèn)識(shí)還可能推遲一段時(shí)間。

    2 “波音747”客機(jī)引擎的疲勞故障

    1977年3月27日，一架“波音747”客機(jī)在舊金山國(guó)際機(jī)場(chǎng)起飛15分鐘后，由于4號(hào)引擎發(fā)生了故障造成飛機(jī)劇烈震動(dòng)，急速下墜。故障引擎排氣孔迸發(fā)火星并起火，導(dǎo)致引擎外殼破裂并掉落碎片。所幸的是，機(jī)組人員立即關(guān)閉了故障引擎并返航，最終飛機(jī)安全降落至舊金山國(guó)際機(jī)場(chǎng)。

    另?yè)?jù)法新社報(bào)道，2010年8月20日，澳洲航空公司（Qantas Airways）一架由舊金山飛往悉尼的“波音747”-438型客機(jī)在25000英尺（約7500米）的高空中發(fā)生引擎故障。后來，澳大利亞運(yùn)輸安全管理局（ATSB）出示的調(diào)查報(bào)告顯示，該起事故也是由于金屬疲勞導(dǎo)致渦輪葉片斷裂引起的。

    3 美國(guó)“波音737”客機(jī)起落架的斷裂事故

    一架載有約150人的韓國(guó)東亞航空公司的“波音737”客機(jī)，于2013年7月22日傍晚（北京時(shí)間23日清晨），在美國(guó)紐約著陸時(shí)起落架斷裂。其機(jī)頭著地滑行，致10人受傷。圖2是乘客從滑梯滑行出艙情景的照片。

    一般而言，飛機(jī)起落架著地時(shí)受到猛烈撞擊，很容易造成疲勞斷裂。飛機(jī)設(shè)計(jì)單位為防止起落架疲勞斷裂，通常要在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行落震疲勞試驗(yàn)。落震試驗(yàn)機(jī)可以模擬飛機(jī)落地時(shí)的沖擊載荷，通過進(jìn)行多次沖擊，來檢驗(yàn)起落架耐沖擊的性能。

    圖2 乘客從客機(jī)尾部出口滑行而下（新華社/路透社）

    4 震驚世界的德國(guó)高鐵事故

    震驚世界的德國(guó)高鐵事故主要是摩擦和疲勞共同作用造成的。1998年6月3日，德國(guó)高鐵“ICE 884號(hào)”列車行經(jīng)接近艾須得路橋時(shí)，突然出軌，第三節(jié)車廂撞擊艾須得路橋右側(cè)第一根梁柱，路橋坍塌，接著造成后方車廂相繼撞上，共致101人死亡，一百多人受傷。事故分析指出，這次事故的始作俑者是列車車輪。由于為了減小行駛中的振動(dòng)，增加乘客的舒適感，這種列車的車輪制成多層復(fù)合結(jié)構(gòu)。結(jié)果，外圈輪轂與內(nèi)層輪盤發(fā)生摩擦導(dǎo)致外環(huán)輪圈疲勞破壞。圖3是德國(guó)高鐵“ICE 884號(hào)”列車事故照片。（細(xì)節(jié)請(qǐng)參見張雙寅《成敗蕭何話“摩擦”》，刊載于力學(xué)所官網(wǎng)科普網(wǎng)頁(yè)《力學(xué)園地》的“科普花園”欄目）。

    圖3 1998年6月3日德國(guó)高鐵事故照片

    5 地鐵自動(dòng)扶梯的疲勞破壞

    2011年，北京市某品牌自動(dòng)扶梯發(fā)生了導(dǎo)致人員傷亡的嚴(yán)重事故。經(jīng)過科研人員的細(xì)致分析，發(fā)現(xiàn)了該事故起因于自動(dòng)扶梯驅(qū)動(dòng)主機(jī)與前座板的一枚聯(lián)接螺栓的疲勞斷裂。這一斷裂引發(fā)了隨后的一連串破壞，最終釀成災(zāi)難性后果。（細(xì)節(jié)請(qǐng)參看陳光南和吳臣武的《自動(dòng)扶梯為啥發(fā)生事故？》，刊載于力學(xué)所官網(wǎng)科普網(wǎng)頁(yè)《力學(xué)園地》的“科普花園”欄目）。

    何謂疲勞

    疲勞定義：在循環(huán)載荷（應(yīng)力）作用下，發(fā)生在材料或結(jié)構(gòu)某點(diǎn)的局部、永久性損傷的遞增；經(jīng)過足夠的應(yīng)力（或應(yīng)變）循環(huán)周次后，損傷累積可使材料或結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂紋，并使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展至完全斷裂，稱為疲勞破壞。

    疲勞（fatigue）這一術(shù)語(yǔ)是彭賽列于1839年提出的。到19世紀(jì)50-60年代，沃勒首先測(cè)得表征疲勞性能的S-N曲線，并提出疲勞極限的概念，奠定了疲勞研究的基礎(chǔ)。

    疲勞壽命（fatigue life）則是指在給定應(yīng)力（或應(yīng)變）水平下，材料發(fā)生破壞的循環(huán)周次。

    疲勞力學(xué)理論含有豐富的內(nèi)容。作為科普小文，這里僅選最主要的基本概念予以介紹：

    1 S-N曲線

    圖4 是一條典型的S-N曲線圖。橫坐標(biāo)N代表循環(huán)周次；而縱坐標(biāo)S 表示應(yīng)力水平（平均應(yīng)力或應(yīng)力幅值）。所謂循環(huán)，就是呈正弦曲線變化載荷的一個(gè)循環(huán)；恰如一個(gè)鐘擺的一次往復(fù)。圖4橫坐標(biāo)的循環(huán)周次，是指材料發(fā)生疲勞破壞（或者說，達(dá)到疲勞壽命）時(shí)施加循環(huán)載荷的總次數(shù)，亦稱疲勞壽命周次或破壞周次。S-N曲線圖表證了載荷水平與疲勞壽命周次的關(guān)系。可見，載荷越大，壽命越短。

    2 疲勞極限

    由圖4可見，當(dāng)應(yīng)力水平小于某值S‘時(shí)，材料在無限循環(huán)次數(shù)下不會(huì)發(fā)生破壞，S' 稱為疲勞極限。對(duì)于鋼材，循環(huán)次數(shù)大于107時(shí)就認(rèn)為是無限次循環(huán)。對(duì)于鋁合金材料，疲勞極限對(duì)應(yīng)的疲勞周次設(shè)定為2x107。

 圖4：S-N曲線

    3 疲勞壽命

    在給定應(yīng)力（或應(yīng)變）水平下，材料發(fā)生破壞的循環(huán)周次稱為疲勞壽命。為了便于分析，常根據(jù)破壞周次將疲勞分為高周疲勞（high cycle fatigue）與低周疲勞（low cycle fatigue）兩類。破壞周次高于104 ―105 的疲勞是高周疲勞；破壞周次低于104 ―105 的疲勞是低周疲勞。低周疲勞的特點(diǎn)是材料所受作用力（應(yīng)力）較大，致使局部可能進(jìn)入塑性變形狀態(tài)。

    圖5 是低周疲勞破壞的一個(gè)例子。那是一個(gè)廚房冷、熱水兩用水龍頭的手把。在圓圈與長(zhǎng)柄的結(jié)合部，有較大應(yīng)力集中，發(fā)生塑性變形，產(chǎn)生塑性損傷。反復(fù)上下扳動(dòng)手把，應(yīng)力集中局部處的塑性損傷不斷累積，引發(fā)裂紋，最終導(dǎo)致斷裂。

    圖5 疲勞斷裂的水龍頭手把 （a） 俯視圖，（b）側(cè)視圖

    在日常生活里還有很多低周疲勞的例子。例如，我們用鉗子掐斷一根較粗的鋼絲時(shí)，由于力量不足，往往難以一次掐斷，就先用鉗子使勁夾一下，使鋼絲表面產(chǎn)生一個(gè)凹窩，然后將它反復(fù)彎曲，不多幾次它就會(huì)最終斷為兩截。

    以上是日常生活中的小例子，在大型工程結(jié)構(gòu)中也有發(fā)生疲勞斷裂的情況。例如，哈爾濱陽(yáng)明灘大橋發(fā)生斷裂事故應(yīng)屬于建筑質(zhì)量存在缺陷，局部應(yīng)力過高，形成低周疲勞破壞（請(qǐng)見圖6）。它于2011年11月6日通車 ，2012年8月24日5時(shí)30分左右發(fā)生斷裂，通車時(shí)間不到1年。

    圖6 哈爾濱陽(yáng)明灘大橋發(fā)生斷裂

    4 影響疲勞破壞的因素

    影響疲勞破壞的因素很多，材質(zhì)、表面處理、環(huán)境溫度與濕度，乃至表面光潔度，都會(huì)對(duì)疲勞壽命與疲勞極限造成極大影響。

    以航空發(fā)動(dòng)機(jī)為例，其常見破壞形式是疲勞破壞。發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片常常發(fā)生高-低周復(fù)合疲勞。渦輪轉(zhuǎn)速很高，加上振動(dòng)應(yīng)力，是高周疲勞形成的主要因素。而葉片離心力很大，葉片根部的凹槽有大的應(yīng)力集中，高應(yīng)力區(qū)會(huì)有塑性變形，引發(fā)裂紋，這是低周疲勞的特點(diǎn)。對(duì)于這類疲勞破壞，工藝質(zhì)量的影響甚大。

    超高周疲勞VHCF

    三十多年前，人們將循環(huán)周次107定為疲勞極限；其含義就是，如果循環(huán)周次超過疲勞極限，它將是無限壽命，永遠(yuǎn)不會(huì)破壞。但是，隨著科技發(fā)展，高速機(jī)械的廣泛應(yīng)用，超過107循環(huán)周次的疲勞破壞事故屢有發(fā)生，譬如德國(guó)高鐵“ICE 884號(hào)”事故就應(yīng)該屬于超高周疲勞。所以，超高周疲勞問題逐漸引起疲勞科學(xué)家的重視。上世紀(jì)80年代開始研究超高周疲勞。奈托（Naito）對(duì)鉻-鉬鋼材進(jìn)行了108應(yīng)力疲勞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)超高周疲勞S-N曲線與傳統(tǒng)的S-N曲線不同，存在兩個(gè)折點(diǎn)。圖7 是SUJ2鋼的S-N曲線，旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞加載，52.5 Hz。這樣，傳統(tǒng)的疲勞理論受到質(zhì)疑，107以上的疲勞行為開始受到重視。至今，超高周疲勞（VHCF）國(guó)際會(huì)議已進(jìn)行五屆，明年第六屆超高周疲勞國(guó)際會(huì)議（VHCF-6）將在北京召開。

    圖7 SUJ2鋼的S-N曲線（引自力學(xué)所雷錚強(qiáng)博士論文）

    目前，VHCF試驗(yàn)手段主要有兩種：旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞與超聲疲勞。旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞機(jī)如圖8所示；其原理是通過馬達(dá)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)軸與試樣同軸連接，試樣端部掛一重物，這樣可以對(duì)樣品施加懸臂彎曲應(yīng)力。試驗(yàn)頻率為52.5Hz,每天做4.536*106周，做一次109試驗(yàn)需要220天。

    超聲疲勞試驗(yàn)設(shè)備則如圖9所示，其原理是通過振子與試驗(yàn)樣品共振，對(duì)試樣施加拉~壓應(yīng)力以造成疲勞。應(yīng)力在試樣橫截面上分布是均勻的。試驗(yàn)頻率為20kHz, 做一個(gè)109疲勞試驗(yàn)只需用時(shí)13.9小時(shí)，大大節(jié)省了時(shí)間。可是，這兩種試驗(yàn)結(jié)果的可比性值得懷疑。頻率不同以及應(yīng)力分布不同會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生多大影響，值得進(jìn)一步研究。

    研究表明，疲勞試驗(yàn)結(jié)果具有明顯的分散性，疲勞壽命與疲勞強(qiáng)度的分散性隨著疲勞周次的提高而增大。超高周疲勞比低周疲勞與高周疲勞的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有更大的分散性，其分散幅度可達(dá)三個(gè)數(shù)量級(jí)。

    另一個(gè)值得思考的問題是，既然1010乃至更高周次仍會(huì)發(fā)生疲勞破壞；那么，是否存在疲勞極限呢？是否存在某個(gè)載荷值，當(dāng)構(gòu)件負(fù)載小于此值時(shí)，就不會(huì)發(fā)生疲勞破壞呢？這個(gè)問題至今沒有結(jié)論。

    圖8 旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)（引自力學(xué)所雷錚強(qiáng)博士論文）

圖9 超聲疲勞試驗(yàn)機(jī)（引自力學(xué)所雷錚強(qiáng)博士論文）

    在高速機(jī)械領(lǐng)域里，高速離心機(jī)的轉(zhuǎn)子占有重要一席之地。在核工業(yè)領(lǐng)域，核原料需要進(jìn)行處理才能生產(chǎn)出合用的核材料。例如鈾原料六氟化鈾氣體被壓縮通過一系列高速旋轉(zhuǎn)的圓筒（即離心機(jī)）。圖10是鈾濃縮離心機(jī)照片。鈾-238同位素重分子氣體比鈾-235輕分子氣體更容易在圓筒的靠近筒壁處得到富集。在靠近轉(zhuǎn)軸處富集的氣體（鈾-35富集）被導(dǎo)出，并輸送到另一臺(tái)離心機(jī)進(jìn)一步分離。隨著氣體穿過一系列離心機(jī)，其鈾-235同位素分子被逐漸提純。這些離心機(jī)轉(zhuǎn)速非常高。一般要超過每分鐘一萬多轉(zhuǎn)。這類機(jī)械的疲勞破壞均屬于超高周疲勞。

    圖10 鈾濃縮離心機(jī)

    此外，大量研究表明，軍用飛機(jī)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件的主要失效原因是高周疲勞。而高周疲勞幾乎占所有疲勞失效的一半。近幾十年來，隨著機(jī)械向高溫、高速和大推力方向發(fā)展，機(jī)械應(yīng)力越來越高，使用條件越來越惡劣，疲勞破壞事故更是層出不窮。因此，許多發(fā)達(dá)國(guó)家越來越重視疲勞強(qiáng)度研究工作。疲勞學(xué)術(shù)論文數(shù)量大幅度上升。我國(guó)雖然對(duì)疲勞破壞問題十分重視，但同類產(chǎn)品的使用壽命往往比發(fā)達(dá)國(guó)家較低，問題更為嚴(yán)重。因此，開展疲勞強(qiáng)度研究對(duì)我國(guó)的航空工業(yè)刻不容緩的。

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責(zé)任編輯：王元

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