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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)值開始,經(jīng)過變化又回到這一數(shù)值的應(yīng)力變化過程最大/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對稱循環(huán);R=0脈動(dòng)循環(huán)R為任意值非對稱循環(huán)圖1交變載荷示意圖案例1:1954年1月10日,英國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,英國的航空專家由此成立專門的調(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“馬丁202”運(yùn)輸機(jī)在正常航行中突然墜毀1952年美國“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、特別是航空工業(yè)部門的極大關(guān)注和震驚。經(jīng)過事故分析和調(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)損傷累積的過程,要經(jīng)過一個(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)度通過疲勞試驗(yàn)獲得疲勞曲線:在不同交變載荷的作用下,測定其發(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應(yīng)的應(yīng)力值時(shí),便可以經(jīng)受無限次循環(huán)載荷也不發(fā)生疲勞斷裂疲勞強(qiáng)度:試樣承受無限次應(yīng)力循環(huán)仍不斷裂時(shí)的最大應(yīng)力對于航空領(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于這一類材料,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于黑色金屬一般選107周次對于有色金屬、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
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