金屬的力學(xué)性能-疲勞強(qiáng)度（航空材料）

在工作中受到反復(fù)改變大小或同時(shí)改變大小和方向的“交變載荷”。零件在交變載荷作用下，雖然其應(yīng)力比材料的抗拉強(qiáng)度小，甚至比屈服強(qiáng)度還小，但是在長(zhǎng)期使用的某一時(shí)刻也會(huì)發(fā)生突然斷裂，這種現(xiàn)象稱(chēng)為疲勞斷裂。疲勞的定義1.交變載荷和交變應(yīng)力

交變載荷：載荷大小和方向隨時(shí)間做周期性或不規(guī)則改變交變應(yīng)力：在交變載荷作用下，結(jié)構(gòu)件承受的應(yīng)力為交變應(yīng)力應(yīng)力循環(huán)：應(yīng)力從某一數(shù)值開(kāi)始，經(jīng)過(guò)變化又回到這一數(shù)值的應(yīng)力變化過(guò)程最大/小應(yīng)力σmax/σmin：在一個(gè)應(yīng)力循環(huán)中代數(shù)值最大/小的應(yīng)力平均應(yīng)力σm=(σmax+σmin)/2應(yīng)力幅σa=(σmax-σmin)/2應(yīng)力比R=σmin/σmax交變應(yīng)力分為三種：R=-1對(duì)稱(chēng)循環(huán)；R=0脈動(dòng)循環(huán)R為任意值非對(duì)稱(chēng)循環(huán)圖1交變載荷示意圖案例1：1954年1月10日，英國(guó)海外航空公司的彗星1號(hào)客機(jī)從意大利羅馬飛往英國(guó)倫敦，起飛后不到半小時(shí)，機(jī)身突然在空中破碎，從9000米高空墜入地中海，機(jī)上所有乘客和機(jī)組人員全部遇難；5月2日，該公司的另一架彗星飛機(jī)從印度加爾各答機(jī)場(chǎng)起飛后墜毀，機(jī)上42人全部罹難；5月8日，彗星號(hào)再度發(fā)生空難，那架彗星式客機(jī)原本計(jì)劃由羅馬前往埃及開(kāi)羅，但在起飛后失去聯(lián)絡(luò)，事后在意大利南方海岸發(fā)現(xiàn)飛機(jī)殘骸和遇難乘客遺體。這次事故震驚了全世界，英國(guó)的航空專(zhuān)家由此成立專(zhuān)門(mén)的調(diào)查組調(diào)查事故，結(jié)論是：彗星式飛機(jī)在飛行中由于金屬部件發(fā)生裂痕而造成了解體事故。產(chǎn)生這種裂痕的原因就是金屬疲勞；彗星號(hào)客機(jī)悲劇是世界航空史上首次發(fā)生的因金屬疲勞而導(dǎo)致飛機(jī)失事的事件，從此在飛機(jī)設(shè)計(jì)中將結(jié)構(gòu)疲勞極限正式列入強(qiáng)度規(guī)范加以要求。

案例2：2002年5月25日下午，臺(tái)灣中華航空公司一架飛往香港的B747客機(jī)在起飛后約半小時(shí)與機(jī)場(chǎng)失去聯(lián)系，下落不明。機(jī)上共有207名乘客和19名機(jī)組成員；事故調(diào)查原因：該客機(jī)在接近巡航高度時(shí)，因機(jī)身后段底部結(jié)構(gòu)失效而發(fā)生空中解體。失事原因是金屬疲勞斷裂，金屬疲勞裂紋竟源自1980年2月7日飛機(jī)起飛時(shí)擦地產(chǎn)生的刮痕，后來(lái)飛機(jī)在維修時(shí)，刮痕并未刨光即補(bǔ)上補(bǔ)丁，金屬疲勞裂紋就沿著刮痕產(chǎn)生。

1948年美國(guó)“馬丁202”運(yùn)輸機(jī)在正常航行中突然墜毀1952年美國(guó)“F-86”殲擊機(jī)在空中爆炸1959年，F(xiàn)-111戰(zhàn)斗轟炸機(jī)在俯沖拉起時(shí)一個(gè)機(jī)翼突然折斷1979年，一架DC-10型客機(jī)在起飛后不久墜毀一連串的飛機(jī)事故引起世界各國(guó)、特別是航空工業(yè)部門(mén)的極大關(guān)注和震驚。經(jīng)過(guò)事故分析和調(diào)查，發(fā)現(xiàn)這些事故都是由于疲勞破壞造成的。疲勞斷裂：零件在交變載荷作用下，雖然其應(yīng)力比材料的抗拉強(qiáng)度小，甚至比屈服強(qiáng)度還小，但是在長(zhǎng)期使用的某一時(shí)刻也會(huì)發(fā)生突然斷裂，這種現(xiàn)象稱(chēng)為疲勞斷裂。疲勞斷裂的特征圖2疲勞斷裂斷口照片疲勞源：零件在一定特征的交變載荷作用下，首先在零件的薄弱環(huán)節(jié)，如應(yīng)力集中或缺陷（劃傷、夾渣、顯微裂紋等）處產(chǎn)生微裂紋疲勞擴(kuò)展區(qū)（光亮區(qū)）：隨著交變載荷循環(huán)次數(shù)的增加，疲勞源裂紋不斷開(kāi)合，同時(shí)裂紋逐步扇形擴(kuò)展粗糙區(qū)：當(dāng)擴(kuò)展區(qū)達(dá)到一定的臨界尺寸時(shí)，構(gòu)件剩余截面面積較小，在交變載荷的某次拉伸力的作用下，材料應(yīng)力超過(guò)抗拉強(qiáng)度，這時(shí)零件會(huì)發(fā)生突然的脆性斷裂，最后脆斷的區(qū)域稱(chēng)為瞬間斷裂區(qū)，由于這一區(qū)域斷口表面比較粗糙，所以也叫粗糙區(qū)疲勞斷裂的特征：1）在金屬構(gòu)件的交變應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的極限強(qiáng)度的情況下，破壞就可能發(fā)生2）疲勞破壞在宏觀上無(wú)明顯塑性變形，具有很大危險(xiǎn)性3）疲勞破壞是一個(gè)損傷累積的過(guò)程，要經(jīng)過(guò)一個(gè)時(shí)間歷程，由三個(gè)階段組成4）疲勞破壞常具有局部性質(zhì)，并不牽涉到整個(gè)結(jié)構(gòu)的所有材料疲勞強(qiáng)度通過(guò)疲勞試驗(yàn)獲得疲勞曲線：在不同交變載荷的作用下，測(cè)定其發(fā)生斷裂時(shí)的載荷循環(huán)次數(shù)N，將試驗(yàn)結(jié)果繪成應(yīng)力與次數(shù)的關(guān)系曲線疲勞強(qiáng)度的測(cè)定圖3疲勞曲線示意圖試驗(yàn)應(yīng)力降低，循環(huán)次數(shù)N增加。當(dāng)應(yīng)力降至某一數(shù)值時(shí)，曲線變成水平直線，即表示材料若承受低于該水平線所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值時(shí)，便可以經(jīng)受無(wú)限次循環(huán)載荷也不發(fā)生疲勞斷裂疲勞強(qiáng)度：試樣承受無(wú)限次應(yīng)力循環(huán)仍不斷裂時(shí)的最大應(yīng)力對(duì)于航空領(lǐng)域常用的硬鋁、鎂合金等有色金屬及其合金材料，即使應(yīng)力循環(huán)的最大應(yīng)力值很低，經(jīng)一定應(yīng)力循環(huán)次數(shù)后也會(huì)斷裂，不存在真正意義上的疲勞極限對(duì)于這一類(lèi)材料，取在某一規(guī)定應(yīng)力循環(huán)次數(shù)下，材料所能承受的最大應(yīng)力值作為名義疲勞極限對(duì)于黑色金屬一般選107周次對(duì)于有色金屬、不銹鋼選108周次1、在設(shè)計(jì)方面，合理設(shè)計(jì)構(gòu)件的形狀