腐蝕與疲勞的“兄弟情”

腐蝕與疲勞均為材料構件失效的主要形式,在多種情況下,二者相輔相成,相互促進,共同對材料發起攻擊,儼然一對團結互助的“好兄弟”。 這對“好兄弟”一起出現時就是腐蝕疲勞,腐蝕疲勞是指材料在交變載荷和腐蝕介質的協同、交互作用下發生的一種破壞形式,廣泛存在于航空、船舶以及石油等領域,腐蝕疲勞破壞是工程上面臨的嚴重問題,現已成為工業領域急需解決的課題。但本次世界腐蝕日,我們先不說兄弟倆的事兒,而是聊聊腐蝕的弟弟——金屬疲勞那些事兒。

金屬為什么會疲勞?

生活經驗告訴我們,要想徒手拉斷鐵絲是非常困難的,但如果反復折幾下卻很容易折斷。這表明,即使反復變化的外力遠小于能將金屬直接拉斷的恒力,也會使它的機械性能逐漸變弱并最終損毀。金屬的這種現象和人在長期工作下的疲勞非常像,科學家們便形象地稱其為“金屬疲勞”。

不少小伙伴都會疑惑:人累了會疲勞,怎么堅硬的金屬也會疲勞呢?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,金屬總會存在一些缺陷,比如內部有雜質或孔洞、表面有劃痕。這些缺陷往往只有微米量級,很難通過肉眼觀察,如果給金屬施加一個不變的拉力,它們并不容易產生裂縫。可如果外力是反復變化的,一會兒是拉力一會兒是壓力,一部分能量就會轉換成熱,積累在金屬內部,一旦超過某個限度,金屬就很容易在缺陷處發生原子間的化學鍵斷裂,導致結構開裂。

什么是疲勞?

疲勞的特點

突然性:斷裂時并無明顯的宏觀塑性變形,斷裂前沒有明顯的預兆,而是突然地破壞; 低應力:疲勞破壞在循環應力的最大值,遠低于材料的抗拉強度或屈服強度的情況下就可以發生; 重復載荷:疲勞破壞是多次重復載荷作用下產生的破壞,它是較長期的交變應力作用的結果,疲勞破壞往往要經歷一定時間,與靜載下的一次破壞不同 ...

疲勞的影響因素

影響疲勞強度的因素比較多,以下幾類因素在航空發動機設計、制造中需要重點予以考慮。應力集中:疲勞源總是出現在應力集中的地方,必須注意構件的細節設計以避免嚴重的應力集中,比如加大剖面突變處的圓角半徑; 表面狀態:疲勞裂紋常常從表面開始,所以表面狀態對疲勞強度會有顯著的影響,表面加工越粗糙,疲勞強度降低、越嚴重 ...

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,常常引發出人意料的嚴重事故。據估計,約90%的機械事故都和金屬疲勞有關。2007年,美國空軍的一架F-15戰斗機在模擬空戰時,戰機機頭與機身分離,飛行員彈射出艙,這次事故造成美軍F-15戰機大面積停飛,調查結果顯示,事故起因于飛機上的一根金屬縱梁發生了疲勞。無獨有偶,2002年,一架由我國臺灣飛往香港的波音747客機在澎湖附近海域解體墜毀,造成包括機組成員在內共225人不幸罹難。事后調查認為,飛機上一塊修補過的蒙皮發生了嚴重的金屬疲勞開裂,造成機尾脫落,最終導致飛機因艙體失壓而解體。 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難:二戰期間,美國的5000艘貨船發生了近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車因車輪輪箍的疲勞斷裂而脫軌,造成100余人死亡。

詳解(一)

航空史上最著名的軍用飛機疲勞破壞事件,應該是1969年美國空軍的F-111空中解體。F-111結構中有個特殊的可變后掠機翼設計,這是因為固定式機翼在特定的飛行速度、高度、大氣溫度、大氣密度、引擎推力下,有最佳的性能表現,一旦其中某個因素改變,性能就會降低。而可變后掠機翼則完全無此缺點,它就像是設計各種不同的機翼...

詳解(二)

2007年11月2日上午,一架隸屬于美國密蘇里州空中國民兵(Air National Guard)的F-15C,在執行訓練任務時突然空中解體,就是上述顧慮的最佳例證。失事當時,這架編號80-0034的F-15C正執行基本戰斗機機動(Basic Fighter Maneuvers)演練,與僚機進行一對一的空中攻擊及防御動作訓練。在進行第二次的接戰練習時,失事...

疲勞對策

難道我們就對邪惡的金屬疲勞束手無策了嗎?非也 我們了解疲勞相關的內容,最終目的是要預防或者減少航空發動機等機械構件發生疲勞失效的情況,進行長壽命設計。如下這些措施常用于提高結構的疲勞強度...

結語

中國工程院趙振業院士呼吁,加速抗疲勞制造研究發展,建立抗疲勞制造、極限壽命設計、極限性能材料新三位一體技術體系是機械制造升級轉型的當務之急,是提升國民經濟發展的根本道路,是實現機械制造強國的根本道路。強硬如金屬尚且如此,雖然算不上什么新知,但也從某一種角度提醒著我們:革命尚未成功,我輩仍須強韌性、減疲勞,來日方長。

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