腐蝕與疲勞均為材料構件失效的主要形式，在多種情況下，二者相輔相成，相互促進，共同對材料發(fā)起攻擊，儼然一對團結互助的“好兄弟”。這對“好兄弟”一起出現時就是腐蝕疲勞，腐蝕疲勞是指材料在交變載荷和腐蝕介質的協同、交互作用下發(fā)生的一種破壞形式，廣泛存在于航空、船舶以及石油等領域，腐蝕疲勞破壞是工程上面臨的嚴重問題，現已成為工業(yè)領域急需解決的課題。今天就讓我們來聊聊腐蝕的兄弟——金屬疲勞那些事兒。

　　金屬為什么會疲勞？

　　生活經驗告訴我們，要想徒手拉斷鐵絲是非常困難的，但如果反復折幾下卻很容易折斷。這表明，即使反復變化的外力遠小于能將金屬直接拉斷的恒力，也會使它的機械性能逐漸變弱并最終損毀。金屬的這種現象和人在長期工作下的疲勞非常像，科學家們便形象地稱其為“金屬疲勞”。

　　不少小伙伴都會疑惑：人累了會疲勞，怎么堅硬的金屬也會疲勞呢？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，金屬總會存在一些缺陷，比如內部有雜質或孔洞、表面有劃痕。這些缺陷往往只有微米量級，很難通過肉眼觀察，如果給金屬施加一個不變的拉力，它們并不容易產生裂縫。可如果外力是反復變化的，一會兒是拉力一會兒是壓力，一部分能量就會轉換成熱，積累在金屬內部，一旦超過某個限度，金屬就很容易在缺陷處發(fā)生原子間的化學鍵斷裂，導致結構開裂。

　　疲勞到底是什么呢？

　　疲勞是指在低于材料極限強度(ultimatestrength)的應力(stress)長期反復作用下，導致結構終于破壞的一種現象。由于總是發(fā)生在結構應力遠低于設計容許最大應力的情況下，因此，常能躲過一般人的注意而不被發(fā)覺，這也是疲勞最危險的地方。

　　材料在承受反復應力的作用過程中，每一次的應力作用稱為一個應力周期(cycle)，此周期內的材料受力狀態(tài)，由原本的無應力先到達最大正應力（拉伸應力），然后到達最大負應力（壓縮應力），最后回到無應力狀態(tài)。在此受力過程中，每一個應力周期所經歷的時間長短（即頻率）與疲勞關系甚微，應力周期的振幅及累積次數才是決定疲勞破壞發(fā)生的時機。另外，壓縮應力不會造成疲勞破壞，拉伸應力才是疲勞破壞的主因。

　　疲勞破壞大致分為低周期疲勞(lowcyclefatigue)和高周期疲勞(highcyclefatigue)。一般而言，發(fā)生疲勞破壞時的應力周期次數少于十萬次者，稱為低周期疲勞；高于此次數者，稱為高周期疲勞。低周期疲勞的作用應力較大，經常伴隨著結構的永久塑性變形(plasticdeformation)；高周期疲勞的作用應力較小，結構變形通常維持在彈性(elastic)范圍內，所以不致有永久變形。

　　材料疲勞破壞的進程分為：裂紋初始(crackinitiation)、裂紋成長(crackgrowth)、強制破壞(rupture)。材料表面瑕疵或是幾何形狀不連續(xù)處，材料晶格(lattice)在外力作用下沿結晶面(crystallographyplane)相互滑移(slip)，形成不可逆的差排(dislocation)移動，在張力及壓力交替作用下，于材料表面形成外凸(extrusion)及內凹(intrusion)，造成初始裂紋。這些初始裂紋在多次應力周期的拉伸應力連續(xù)拉扯下逐漸成長，使材料承載面積縮減，降低材料的承載能力。當裂紋成長到臨界長度(criticallength)時，材料凈承載面積下的應力超過材料的極限強度，此時的材料強制破壞也就無法避免了。

　　疲勞破壞特點

　　突然性

　　斷裂時并無明顯的宏觀塑性變形，斷裂前沒有明顯的預兆，而是突然地破壞；

　　低應力

　　疲勞破壞在循環(huán)應力的最大值，遠低于材料的抗拉強度或屈服強度的情況下就可以發(fā)生；

　　重復載荷

　　疲勞破壞是多次重復載荷作用下產生的破壞，它是較長期的交變應力作用的結果，疲勞破壞往往要經歷一定時間，與靜載下的一次破壞不同；

　　缺陷敏感

　　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；

　　疲勞斷口

　　疲勞破壞能清楚地顯示出裂紋的發(fā)生、擴展和最后斷裂三個組成部分。

　　疲勞強度影響因素

　　影響疲勞強度的因素比較多，以下幾類因素在航空發(fā)動機設計、制造中需要重點予以考慮。

　　應力集中

　　疲勞源總是出現在應力集中的地方，必須注意構件的細節(jié)設計以避免嚴重的應力集中，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)對疲勞強度會有顯著的影響，表面加工越粗糙，疲勞強度降低、越嚴重；

　　溫度

　　一般隨著溫度的升高，疲勞強度會降低。

　　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)出人意料的嚴重事故。據估計，約90%的機械事故都和金屬疲勞有關。

　　2002年，一架由我國臺灣飛往香港的波音747客機在澎湖附近海域解體墜毀，造成包括機組成員在內共225人不幸罹難。事后調查認為，飛機上一塊修補過的蒙皮發(fā)生了嚴重的金屬疲勞開裂，造成機尾脫落，最終導致飛機因艙體失壓而解體。

　　2007年，美國空軍的一架F-15戰(zhàn)斗機在模擬空戰(zhàn)時，戰(zhàn)機機頭與機身分離，飛行員彈射出艙，這次事故造成美軍F-15戰(zhàn)機大面積停飛，調查結果顯示，事故起因于飛機上的一根金屬縱梁發(fā)生了疲勞。

　　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難。二戰(zhàn)期間，美國的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，德國一列高速行駛的動車因車輪輪箍的疲勞斷裂而脫軌，造成100余人死亡。

　　抑制疲勞的方法

　　我們了解疲勞相關的內容，最終目的是要預防或者減少航空發(fā)動機等機械構件發(fā)生疲勞失效的情況，進行長壽命設計。如下這些措施常用于提高結構的疲勞強度：

　　結構優(yōu)化設計

　　結構設計中盡量避免產生應力集中，對過渡圓角、螺栓孔等容易產生應力集中的部位進行優(yōu)化，疲勞往往出現在這些應力集中部位。

　　嚴格控制溫度

　　疲勞強度一般隨著溫度的升高急劇下降，不能為了性能達標而一味地提高溫度。

　　采用強化措施

　　采用各種表面強化處理、孔擠壓強化等。

　　提高零件加工質量

　　裂紋往往出現在材料缺陷或者加工缺陷位置，必須加強零部件加工制造工藝，嚴格控制關鍵位置的加工精度和加工質量，減少疲勞源，防止超差等質量問題引起的疲勞失效。