金屬材料在原料加工過程中容易帶來氣孔、分層和雜質(zhì)等原始缺陷，在后期的實(shí)際應(yīng)用中，極易產(chǎn)生疲勞損傷。如果不能及時發(fā)現(xiàn)并定位疲勞損傷結(jié)構(gòu)，將使得損傷累積擴(kuò)展進(jìn)而引發(fā)材料結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂，造成難以估量的損失。先來看一些案例。
金屬疲勞案例
1、2004年日本美浜核電站事故
美浜核電站座落于東京西部大約320公里的福井縣，1976年投入運(yùn)營，1991年至2003年曾發(fā)生過幾次與核有關(guān)的小事故。2004年8月9日，渦輪所在建筑內(nèi)連接3號反應(yīng)堆的水管在工人們準(zhǔn)備進(jìn)行例行安全檢查時突然爆裂。雖然并未導(dǎo)致核泄漏，但蒸汽爆發(fā)還是導(dǎo)致5名工人死亡，數(shù)十人受傷。2006年，美浜核電站又發(fā)生火災(zāi)，導(dǎo)致兩名工人死亡，事故原因主要是蒸汽發(fā)生器內(nèi)細(xì)管的金屬疲勞。
2、1998年德國ICE城際列車脫軌事件
1998年6月3日，由慕尼黑開往漢保的德國ICE884次高速列車在運(yùn)行至距漢諾威東北方向附近的小鎮(zhèn)埃舍德時，發(fā)生了第二次世界大戰(zhàn)后德國最為慘重的列車脫軌行車事故。該列車由兩輛機(jī)車和12輛拖車組成，事故發(fā)生后，12輛拖車全部脫軌。造成100人死亡，88人重傷。
經(jīng)過調(diào)查小組的不懈努力，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致事故的是一只發(fā)生疲勞斷裂的車輪鋼圈，火車車輪在轉(zhuǎn)動時會承受極大的重量而略微收縮，以支撐沉重的車體，這種反復(fù)的收縮導(dǎo)致了車輪鋼圈的疲勞，然而當(dāng)時并未引起工程師的重視，這才導(dǎo)致了這次悲劇。
3、日本航空123號班機(jī)空難事件
1985年8月12日，飛機(jī)編號為JA8119的波音747-100SR型班機(jī)搭載509名乘客及15名機(jī)組員，從日本東京的羽田機(jī)場起飛，預(yù)定飛往大阪伊丹機(jī)場。在御巢鷹山區(qū)附近的高天原山(距離東京約100公里)處墜毀，520人罹難。
日本官方的航空與鐵道事故調(diào)查委員會經(jīng)過調(diào)查后，做出三點(diǎn)結(jié)論，其中一點(diǎn)指出“該飛機(jī)曾損傷機(jī)尾，受損后波音公司沒有妥善修補(bǔ)，正常需要二排鉚釘，但維修人員只是將損傷的部分補(bǔ)了排鉚釘，所以增加了接合點(diǎn)附近金屬蒙皮所承受的剪力，使該處累積了金屬疲勞的現(xiàn)象”。
金屬疲勞是什么?
細(xì)看這些事故，其中都出現(xiàn)了“金屬疲勞”這個詞的身影，那么，金屬疲勞到底是怎么回事?
金屬“疲勞”一詞，最早是由德國科學(xué)家沃勒發(fā)現(xiàn)的，19世紀(jì)50年代，沃勒就發(fā)現(xiàn)了表現(xiàn)金屬疲勞特性的曲線，并提出了疲勞極限的概念。
為了說明金屬材料疲勞的概念，我們?nèi)∫幻肚鷦e針，把它用手指頭掰直。不用任何工具，你試用手指把它拉斷，試試看，即使你使盡最大的力氣，不行吧?？墒悄阒灰阉鼇砘貜澢鷰状?，曲別針便會輕易地弄斷。
這個現(xiàn)象說明，金屬材料在恒定的力作用下比起變化的力作用下有較大的強(qiáng)度。在變化大小的力作用下，雖然這些力遠(yuǎn)沒有達(dá)到平常恒力作用下使材料破壞的程度，材料卻破壞了。這種現(xiàn)象就稱為金屬的疲勞破壞。
金屬疲勞問題的起源與發(fā)展
第一次工業(yè)革命后，隨著蒸汽機(jī)等裝備的相繼發(fā)明，隨之而來的是大量的斷裂事故。人們發(fā)現(xiàn)：在循環(huán)載荷作用下，構(gòu)件的使用壽命遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)壽命，甚至不到設(shè)計(jì)壽命的一半。隨后人們開展了一些有針對性的研究，金屬構(gòu)件疲勞斷裂的面紗漸漸被掀開。從此，人們逐步了解疲勞問題的本質(zhì)，并看到了戰(zhàn)勝金屬疲勞的曙光。
對金屬構(gòu)件疲勞問題的最初理解始于19世紀(jì)。
起初人們很難理解，為什么在循環(huán)載荷或交變載荷下服役的金屬構(gòu)件的壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)壽命。在這段時間里，一些刻骨銘心的失效事件讓人無比心痛，這也開啟了人們對金屬構(gòu)件疲勞問題的認(rèn)識。
William Albert于1837年首次發(fā)表了一篇金屬構(gòu)件疲勞的文章，并建立了循環(huán)載荷和金屬構(gòu)件耐久度(durability)之間的關(guān)系。
兩年以后，也就是1839年，Jean-Victor Poncelet，球磨機(jī)(mill wheels)鑄鐵軸的設(shè)計(jì)者，首次使用了疲勞(fatigue)這個專業(yè)詞匯。
19世紀(jì)一起最為嚴(yán)重的鐵路事故在1842年發(fā)生了，大概在凡爾賽附近，火車頭的車軸斷裂了。
William John Macquorn Rankine是這起事故的調(diào)查員，他來自英國軌道車輛公司，針對這起失效車軸的事故分析表明：它的失效源于沿徑向的脆性開裂。
1860-1870年間，August W?ler隨后做了一些開拓性的工作，在他研究車軸失效機(jī)制的時候應(yīng)用了受控負(fù)載循環(huán)。他引進(jìn)了旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞測試，這項(xiàng)工作接下來直接促進(jìn)了S-N曲線圖的發(fā)展，S-N曲線圖主要用于評估疲勞壽命和耐久度或金屬的疲勞極限。疲勞極限代表在某一應(yīng)力水平下金屬將擁有無限或非常高的疲勞壽命。
在1886年，Johann Bauschinger寫了第一篇關(guān)于材料循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變行為的文章。在19世紀(jì)末，Gerber和Goodman研究了平均應(yīng)力對疲勞參數(shù)的影響并提出疲勞壽命簡化理論。基于這些理論，設(shè)計(jì)者和工程師開始在產(chǎn)品研發(fā)時進(jìn)行疲勞分析，對構(gòu)件的壽命預(yù)測比以往更準(zhǔn)確了。
在20世紀(jì)初葉，J. A. Ewing證實(shí)疲勞失效起源于微觀裂紋。1910年，O.H. Baskin使用W?ler測試數(shù)據(jù)定義了一個典型的S-N曲線的形狀并提出了對數(shù)關(guān)系。L. Bairstow接下來研究了金屬在循環(huán)載荷條件下的循環(huán)硬化和軟化行為。
Alan A. Griffith在1920年的工作直接導(dǎo)致斷裂力學(xué)的誕生，他研究了裂紋在脆性玻璃中的擴(kuò)展。當(dāng)斷裂力學(xué)的觀點(diǎn)滲透到疲勞裂紋的表征后極大地加深了人們對疲勞斷裂的理解。然而，盡管有了這樣的發(fā)展，疲勞和斷裂分析仍然不能被設(shè)計(jì)者熟練掌握和實(shí)踐。
今天，我們的汽車、輪船和飛機(jī)等大型裝備，其構(gòu)件在進(jìn)行生產(chǎn)之前都進(jìn)行了抗疲勞設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)在較大程度上保證了在設(shè)計(jì)壽命范圍內(nèi)的安全。
安全并不是絕對的，隨著人們對機(jī)械設(shè)備更高、更快、更苛刻的功能要求，金屬疲勞還是無法避免，應(yīng)引起人們更大的重視。因?yàn)樗o金屬構(gòu)件帶來的破壞是致命的和災(zāi)難性的。
如何發(fā)現(xiàn)金屬疲勞?
科學(xué)研究表明，金屬疲勞可以預(yù)先檢測出來。
日本的科學(xué)家發(fā)明了一種摻入鈦酸鉛粉末的特殊涂料，在敲擊金屬時，金屬表面的涂料薄膜中會有電流通過，且電流的大小和金屬的疲勞程度有關(guān)，通過測量這股電流，便可知道金屬究竟有多“累”。
此外，超聲波、紅外線、射線等都能對金屬進(jìn)行體檢。近年來，通過各種檢測手段避免了很多因金屬疲勞而可能發(fā)生的事故。比如利用X射線衍射法，就可檢測出由于應(yīng)力集中誘發(fā)的金屬疲勞。在零構(gòu)件成型服役前，甚至在制造過程中，通過檢測手段發(fā)現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，并采取措施均化應(yīng)力，能有效杜絕疲勞破壞。
除了常規(guī)檢測手段，金屬材料疲勞試驗(yàn)也可以通過模擬結(jié)構(gòu)或部件的實(shí)際工作狀況，在試驗(yàn)室內(nèi)測定材料的疲勞壽命設(shè)計(jì)曲線。一些常用試驗(yàn)方法通常包括單點(diǎn)疲勞試驗(yàn)法、升降法、高頻振動試驗(yàn)法、超聲疲勞試驗(yàn)法、紅外熱像技術(shù)疲勞試驗(yàn)方法等。
金屬疲勞損傷的非線性超聲檢測方案
100多年來，人們從未停止對金屬疲勞的研究，其中最讓人關(guān)注的，是如何對現(xiàn)代化工業(yè)設(shè)備采取預(yù)防和保護(hù)措施，防患于未然。比如，選擇具有較高抗疲勞性能的材料，防止應(yīng)力集中，合理布局結(jié)構(gòu)，提高構(gòu)件表面加工質(zhì)量和采用一些新技術(shù)和新工藝等。
中國科學(xué)院院士，著名金屬材料學(xué)家周惠久先生在他所著的《金屬材料強(qiáng)度學(xué)》一書中曾提到：“據(jù)統(tǒng)計(jì)，在各類零件的失效中，大約有80%是由于疲勞破壞所引起的?！?/strong>由此可見金屬疲勞強(qiáng)大的破壞力。而抗擊金屬疲勞這條路，道阻且長，吾輩還需繼續(xù)努力。
引用文獻(xiàn)：
公眾號：金屬材料科學(xué)與技術(shù)——“金屬會“累”嗎? 金屬疲勞問題的起源與發(fā)展”
博客：武際可科學(xué)網(wǎng)——“金屬會疲勞?
