腐蝕與疲勞均為材料構(gòu)件失效的主要形式，在多種情況下，二者相輔相成，相互促進(jìn)，共同對(duì)材料發(fā)起攻擊，儼然一對(duì)團(tuán)結(jié)互助的“好兄弟”。這對(duì)“好兄弟”一起出現(xiàn)時(shí)就是腐蝕疲勞，腐蝕疲勞是指材料在交變載荷和腐蝕介質(zhì)的協(xié)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(lǐng)域，腐蝕疲勞破壞是工程上面臨的嚴(yán)重問題，現(xiàn)已成為工業(yè)領(lǐng)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(huì)疲勞？

　　生活經(jīng)驗(yàn)告訴我們，要想徒手拉斷鐵絲是非常困難的，但如果反復(fù)折幾下卻很容易折斷。這表明，即使反復(fù)變化的外力遠(yuǎn)小于能將金屬直接拉斷的恒力，也會(huì)使它的機(jī)械性能逐漸變?nèi)醪⒆罱K損毀。金屬的這種現(xiàn)象和人在長期工作下的疲勞非常像，科學(xué)家們便形象地稱其為“金屬疲勞”。

　　不少小伙伴都會(huì)疑惑：人累了會(huì)疲勞，怎么堅(jiān)硬的金屬也會(huì)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(huì)存在一些缺陷，比如內(nèi)部有雜質(zhì)或孔洞、表面有劃痕。這些缺陷往往只有微米量級(jí)，很難通過肉眼觀察，如果給金屬施加一個(gè)不變的拉力，它們并不容易產(chǎn)生裂縫?？扇绻饬κ欠磸?fù)變化的，一會(huì)兒是拉力一會(huì)兒是壓力，一部分能量就會(huì)轉(zhuǎn)換成熱，積累在金屬內(nèi)部，一旦超過某個(gè)限度，金屬就很容易在缺陷處發(fā)生原子間的化學(xué)鍵斷裂，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂。

　　疲勞到底是什么呢？

　　疲勞是指在低于材料極限強(qiáng)度(ultimatestrength)的應(yīng)力(stress)長期反復(fù)作用下，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)終于破壞的一種現(xiàn)象。由于總是發(fā)生在結(jié)構(gòu)應(yīng)力遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)容許最大應(yīng)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(xiǎn)的地方。

　　材料在承受反復(fù)應(yīng)力的作用過程中，每一次的應(yīng)力作用稱為一個(gè)應(yīng)力周期(cycle)，此周期內(nèi)的材料受力狀態(tài)，由原本的無應(yīng)力先到達(dá)最大正應(yīng)力（拉伸應(yīng)力），然后到達(dá)最大負(fù)應(yīng)力（壓縮應(yīng)力），最后回到無應(yīng)力狀態(tài)。在此受力過程中，每一個(gè)應(yīng)力周期所經(jīng)歷的時(shí)間長短（即頻率）與疲勞關(guān)系甚微，應(yīng)力周期的振幅及累積次數(shù)才是決定疲勞破壞發(fā)生的時(shí)機(jī)。另外，壓縮應(yīng)力不會(huì)造成疲勞破壞，拉伸應(yīng)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(shí)的應(yīng)力周期次數(shù)少于十萬次者，稱為低周期疲勞；高于此次數(shù)者，稱為高周期疲勞。低周期疲勞的作用應(yīng)力較大，經(jīng)常伴隨著結(jié)構(gòu)的永久塑性變形(plasticdeformation)；高周期疲勞的作用應(yīng)力較小，結(jié)構(gòu)變形通常維持在彈性(elastic)范圍內(nèi)，所以不致有永久變形。

　　材料疲勞破壞的進(jìn)程分為：裂紋初始(crackinitiation)、裂紋成長(crackgrowth)、強(qiáng)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(jié)晶面(crystallographyplane)相互滑移(slip)，形成不可逆的差排(dislocation)移動(dòng)，在張力及壓力交替作用下，于材料表面形成外凸(extrusion)及內(nèi)凹(intrusion)，造成初始裂紋。這些初始裂紋在多次應(yīng)力周期的拉伸應(yīng)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(dāng)裂紋成長到臨界長度(criticallength)時(shí)，材料凈承載面積下的應(yīng)力超過材料的極限強(qiáng)度，此時(shí)的材料強(qiáng)制破壞也就無法避免了。

　　疲勞破壞特點(diǎn)

　　突然性

　　斷裂時(shí)并無明顯的宏觀塑性變形，斷裂前沒有明顯的預(yù)兆，而是突然地破壞；

　　低應(yīng)力

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

　　重復(fù)載荷

　　疲勞破壞是多次重復(fù)載荷作用下產(chǎn)生的破壞，它是較長期的交變應(yīng)力作用的結(jié)果，疲勞破壞往往要經(jīng)歷一定時(shí)間，與靜載下的一次破壞不同；

　　缺陷敏感

　　疲勞對(duì)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(duì)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(kuò)展和最后斷裂三個(gè)組成部分。

　　疲勞強(qiáng)度影響因素

　　影響疲勞強(qiáng)度的因素比較多，以下幾類因素在航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、制造中需要重點(diǎn)予以考慮。

　　應(yīng)力集中

　　疲勞源總是出現(xiàn)在應(yīng)力集中的地方，必須注意構(gòu)件的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)以避免嚴(yán)重的應(yīng)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(duì)疲勞強(qiáng)度會(huì)有顯著的影響，表面加工越粗糙，疲勞強(qiáng)度降低、越嚴(yán)重；

　　溫度

　　一般隨著溫度的升高，疲勞強(qiáng)度會(huì)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(yán)重事故。據(jù)估計(jì)，約90%的機(jī)械事故都和金屬疲勞有關(guān)。

　　2002年，一架由我國臺(tái)灣飛往香港的波音747客機(jī)在澎湖附近海域解體墜毀，造成包括機(jī)組成員在內(nèi)共225人不幸罹難。事后調(diào)查認(rèn)為，飛機(jī)上一塊修補(bǔ)過的蒙皮發(fā)生了嚴(yán)重的金屬疲勞開裂，造成機(jī)尾脫落，最終導(dǎo)致飛機(jī)因艙體失壓而解體。

　　2007年，美國空軍的一架F-15戰(zhàn)斗機(jī)在模擬空戰(zhàn)時(shí)，戰(zhàn)機(jī)機(jī)頭與機(jī)身分離，飛行員彈射出艙，這次事故造成美軍F-15戰(zhàn)機(jī)大面積停飛，調(diào)查結(jié)果顯示，事故起因于飛機(jī)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(zāi)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(dòng)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(guān)的內(nèi)容，最終目的是要預(yù)防或者減少航空發(fā)動(dòng)機(jī)等機(jī)械構(gòu)件發(fā)生疲勞失效的情況，進(jìn)行長壽命設(shè)計(jì)。如下這些措施常用于提高結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度：

　　結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

　　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中盡量避免產(chǎn)生應(yīng)力集中，對(duì)過渡圓角、螺栓孔等容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的部位進(jìn)行優(yōu)化，疲勞往往出現(xiàn)在這些應(yīng)力集中部位。

　　嚴(yán)格控制溫度

　　疲勞強(qiáng)度一般隨著溫度的升高急劇下降，不能為了性能達(dá)標(biāo)而一味地提高溫度。

　　采用強(qiáng)化措施

　　采用各種表面強(qiáng)化處理、孔擠壓強(qiáng)化等。

　　提高零件加工質(zhì)量

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