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(wèn)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(shuō)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(wú)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(guò)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(guò)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(guò)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(kāi)裂。
什么是疲勞？
突然性：斷裂時(shí)并無(wú)明顯的宏觀塑性變形，斷裂前沒(méi)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 ...
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(kāi)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 ...
疲勞的危害
雖然很多人都沒(méi)聽(tīng)過(guò)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(wú)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(guò)的蒙皮發(fā)生了嚴(yán)重的金屬疲勞開(kāi)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。
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(wú)此缺點(diǎn)，它就像是設(shè)計(jì)各種不同的機(jī)翼...
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（Air National 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...
結(jié)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(lái)日方長(zhǎng)。