金属疲劳到底是怎么回事？

腐蚀与疲劳的“兄弟情”

     腐蚀与疲劳均为材料构件失效的主要形式，在多种情况下，二者相辅相成，相互促进，共同对材料发起攻击，俨然一对团结互助的“好兄弟”。这对“好兄弟”一起出现时就是腐蚀疲劳，腐蚀疲劳是指材料在交变载荷和腐蚀介质的协同、交互作用下发生的一种破坏形式，广泛存在于航空、船舶以及石油等领域，腐蚀疲劳破坏是工程上面临的严重问题，现已成为工业领域急需解决的课题。今天就让我们来聊聊腐蚀的兄弟——金属疲劳那些事儿。

金属为什么会疲劳？

      生活经验告诉我们，要想徒手拉断铁丝是非常困难的，但如果反复折几下却很容易折断。这表明，即使反复变化的外力远小于能将金属直接拉断的恒力，也会使它的机械性能逐渐变弱并最终损毁。金属的这种现象和人在长期工作下的疲劳非常像，科学家们便形象地称其为“金属疲劳”。

      不少小伙伴都会疑惑：人累了会疲劳，怎么坚硬的金属也会疲劳呢？正所谓“黄金无足色，白璧有微瑕”，我们目前所用的金属并非是完美的，在加工或使用的过程中，金属总会存在一些缺陷，比如内部有杂质或孔洞、表面有划痕。这些缺陷往往只有微米量级，很难通过肉眼观察，如果给金属施加一个不变的拉力，它们并不容易产生裂缝。可如果外力是反复变化的，一会儿是拉力一会儿是压力，一部分能量就会转换成热，积累在金属内部，一旦超过某个限度，金属就很容易在缺陷处发生原子间的化学键断裂，导致结构开裂。

显微镜观测到的金属缺陷及起始于该缺陷的金属疲劳开裂过程

疲劳到底是什么呢？

      疲劳是指在低于材料极限强度 (ultimate strength) 的应力 (stress) 长期反复作用下，导致结构终于破坏的一种现象。由于总是发生在结构应力远低于设计容许最大应力的情况下，因此，常能躲过一般人的注意而不被发觉，这也是疲劳最危险的地方。

      材料在承受反复应力的作用过程中，每一次的应力作用称为一个应力周期 (cycle)，此周期内的材料受力状态，由原本的无应力先到达最大正应力（拉伸应力），然后到达最大负应力（压缩应力），最后回到无应力状态。在此受力过程中，每一个应力周期所经历的时间长短（即频率）与疲劳关系甚微，应力周期的振幅及累积次数才是决定疲劳破坏发生的时机。另外，压缩应力不会造成疲劳破坏，拉伸应力才是疲劳破坏的主因。

材料承受反复应力的作用过程

     疲劳破坏大致分为低周期疲劳 (low cycle fatigue) 和高周期疲劳 (high cycle fatigue)。一般而言，发生疲劳破坏时的应力周期次数少于十万次者，称为低周期疲劳；高于此次数者，称为高周期疲劳。低周期疲劳的作用应力较大，经常伴随着结构的永久塑性变形 (plastic deformation)；高周期疲劳的作用应力较小，结构变形通常维持在弹性 (elastic) 范围内，所以不致有永久变形。

    材料疲劳破坏的进程分为：裂纹初始 (crack initiation)、裂纹成长 (crack growth)、强制破坏 (rupture)。材料表面瑕疵或是几何形状不连续处，材料晶格 (lattice) 在外力作用下沿结晶面 (crystallography plane) 相互滑移 (slip)，形成不可逆的差排 (dislocation) 移动，在张力及压力交替作用下，于材料表面形成外凸 (extrusion) 及内凹 (intrusion)，造成初始裂纹。这些初始裂纹在多次应力周期的拉伸应力连续拉扯下逐渐成长，使材料承载面积缩减，降低材料的承载能力。当裂纹成长到临界长度 (critical length) 时，材料净承载面积下的应力超过材料的极限强度，此时的材料强制破坏也就无法避免了。

疲劳破坏特点

突然性

断裂时并无明显的宏观塑性变形，断裂前没有明显的预兆，而是突然地破坏；

低应力

疲劳破坏在循环应力的最大值，远低于材料的抗拉强度或屈服强度的情况下就可以发生；

重复载荷

疲劳破坏是多次重复载荷作用下产生的破坏，它是较长期的交变应力作用的结果，疲劳破坏往往要经历一定时间，与静载下的一次破坏不同；

缺陷敏感

疲劳对缺陷（例如缺口、裂纹及组织缺陷）十分敏感，由于疲劳破坏是从局部开始的，所以它对缺陷具有高度的选择性；

疲劳断口

疲劳破坏能清楚地显示出裂纹的发生、扩展和最后断裂三个组成部分。

疲劳强度影响因素

      影响疲劳强度的因素比较多，以下几类因素在航空发动机设计、制造中需要重点予以考虑。

应力集中

疲劳源总是出现在应力集中的地方，必须注意构件的细节设计以避免严重的应力集中，比如加大剖面突变处的圆角半径；

表面状态

疲劳裂纹常常从表面开始，所以表面状态对疲劳强度会有显著的影响，表面加工越粗糙，疲劳强度降低、越严重；

温度

一般随着温度的升高，疲劳强度会降低。

疲劳的危害

      虽然很多人都没听过金属疲劳的事儿，但它却广泛潜伏在人们的日常生活中，常常引发出人意料的严重事故。据估计，约90%的机械事故都和金属疲劳有关。

      2002年，一架由我国台湾飞往香港的波音747客机在澎湖附近海域解体坠毁，造成包括机组成员在内共225人不幸罹难。事后调查认为，飞机上一块修补过的蒙皮发生了严重的金属疲劳开裂，造成机尾脱落，最终导致飞机因舱体失压而解体。

      2007年，美国空军的一架F-15战斗机在模拟空战时，战机机头与机身分离，飞行员弹射出舱，这次事故造成美军F-15战机大面积停飞，调查结果显示，事故起因于飞机上的一根金属纵梁发生了疲劳。

      除了飞行事故，轮船、列车、桥梁、汽车等，也常因金属疲劳招致灾难。二战期间，美国的5000艘货船发生了近1000次金属疲劳事故，200多艘货船彻底歇菜；1998年，德国一列高速行驶的动车因车轮轮箍的疲劳断裂而脱轨，造成100余人死亡。

抑制疲劳的方法

     我们了解疲劳相关的内容，最终目的是要预防或者减少航空发动机等机械构件发生疲劳失效的情况，进行长寿命设计。如下这些措施常用于提高结构的疲劳强度：

结构优化设计

结构设计中尽量避免产生应力集中，对过渡圆角、螺栓孔等容易产生应力集中的部位进行优化，疲劳往往出现在这些应力集中部位。

严格控制温度

疲劳强度一般随着温度的升高急剧下降，不能为了性能达标而一味地提高温度。

采用强化措施

采用各种表面强化处理、孔挤压强化等。

提高零件加工质量

裂纹往往出现在材料缺陷或者加工缺陷位置，必须加强零部件加工制造工艺，严格控制关键位置的加工精度和加工质量，减少疲劳源，防止超差等质量问题引起的疲劳失效。

来源：材料热处理工程师、中国腐蚀与防护网

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