金屬疲勞基礎 （一）金屬會疲勞的

生活中到處都能看到機械失效，但是，你可知道？據統計，80～95%的機械失效都是由於金屬疲勞造成的，每年造成的GDP損失在全世界範圍內高達4%，這是一個驚人的數字。人疲勞了，勞動效率就會降低，會出錯。而金屬疲勞了，可能造成巨大的經濟損失和人身傷害的。下面先八卦幾個金屬疲勞的新聞，讓你看看這玩意有多厲害。

1949年，第一架噴氣式民航客機──來自英國的De Havilland 的「彗星Comet」號首次飛行。1954年，其在短短5個月之內連續發生了兩起墜毀事故，正因為這兩起空難使得「金屬疲勞」得到了工程界甚至普羅大眾的充分重視。事後調查，彗星飛機是第一批使用增壓艙的飛行器，採用的是方形窗口。其應力集中區在窗角，雪上加霜的是窗角的鉚釘孔是衝壓出來的，存在衝壓撕裂帶，也就是存在肉眼不易察覺的微裂紋，反覆增壓-減壓以及飛行過程中的其他變化載荷作用在窗角，造成微裂紋不斷擴大，最後導致機艙解體。Comet空難奪去了68人的生命，也直接導致擁有當時最先進民航客機的De Havilland公司倒閉。 前車之鑒讓有著類似慘痛經歷的波音公司，痛定思痛空前重視金屬疲勞問題，投入了大量的人力物力來研究金屬疲勞。這也換來了今天的民航客機的舷窗都是弧形窗角。

其實，國內也有類似的慘痛經歷。我國在上世紀80年代的中美蜜月期引進了24架大名鼎鼎的黑鷹black hawk直升機，其中一架於1987年在氣象條件極佳的情況下，突然無故墜毀，截至失事前，該黑鷹共飛行331小時，而其設計飛行壽命高達為5900小時。這也引起了中美雙方的一場嘴仗。我國專家根據痕迹檢驗和斷口分析，發現黑鷹尾傳動軸上有一條0．5毫米寬、0．06毫米深的加工刀痕，在刀痕底部延伸出一條深0．15毫米的沿晶裂紋。正是加工中的切削刀痕和沿晶裂紋這個「疲勞源」不能長期承受正常載荷下的高循環，又逐漸向外延伸成了大的裂痕，因而造成尾傳動軸使用331小時就疲勞斷裂，從而導致事故的發生，我國專家的結論終於令老美折服，也為國家贏得了300萬美元的賠償。高循環的循環應力是直接原因，但這個是無法避免的，切削刀痕和沿晶裂紋是直接誘因，也是root cause。八卦了這麼久之後，那麼到底什麼是金屬疲勞？

金屬疲勞metal fatigue是指材料、零構件在一定時間的循環應力或循環應變作用下的破壞現象。首先它是顯著區別於靜力載荷帶來的破壞的。靜力破壞是一次性載荷作用下的破壞，疲勞破壞是重複載荷作用下的破壞，必然是需要一定時間的。當靜力載荷帶來的應力必須大於其屈服或者抗拉強度；而交變應力通常小於屈服極限。以生活常識來說，當你需要弄斷一段鐵絲，通常你會以某點為中心左右來回擰它，很快鐵絲就斷了，左右擰就是施加循環載荷，最後的破壞就是疲勞破壞。當然，如果你會七十二手錯骨分筋手的話，可能一下就可將鐵絲分筋錯骨的話，那就是靜力破壞了。

金屬疲勞的基本特點肯定是循環載荷，其實在工程實際中，結構通常承受的是隨機載荷，但是聰明的工程師們通常會把隨機載荷轉化成若干循環載荷的組合，常用方法有計數法和功率譜法。這樣做的目的是便於分析和作為疲勞試驗的輸入，畢竟常見的疲勞試驗機都是用正弦輸入來載入的，這樣既簡單又有很好的重複性。這也符合人的天性-把複雜問題分割成簡單問題。最簡單的循環載荷如下圖：

其中：平均應力Mean為

應力幅Amplitude為：

循環特徵Ratio為：

這時候又可以分為： 當R=-1的時候，

當R=0的時候，

當R=1的時候，就變成了七十二手錯骨分筋手的靜力載荷了。

知道了以上最基本的金屬疲勞知識之後，工程師永遠要回答一個問題，如何能設計一個靠譜的結構能夠抵抗金屬疲勞？並且擁有一定的壽命呢？

請看金屬疲勞基礎（二）- 應力-壽命設計法（Stress – life method）

作者：yzy

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