世界腐蝕日（WorldwideCorrosion Day）“由世界腐蝕組織（WCO）確立。世界腐蝕組織是于 2006 年在紐約注冊成立的非營利學術組織。是一個代表地方及其國家的科學家、工程師和其它團體的世界性組織。在腐蝕和防護的研究中，致力于知識的發展和傳播。

2009年經過WCO各成員的討論并一致通過了在世界范圍內確立每年的4月24日作為”世界腐蝕日（WorldwideCorrosion Day）“，其宗旨是喚醒政府、工業界以及我們每個人認識到腐蝕的存在，認識到每年由于腐蝕引起的經濟損失在各國的 GDP 中平均超過 3%；同時向人們指出控制和減緩腐蝕的方法。

值此”2019.4.24“世界腐蝕日來臨之際，中國腐蝕與防護學會本屆世界腐蝕日專題活動是以科普角度與公眾聊聊腐蝕的兄弟——疲勞那些事兒。

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。

顯微鏡觀測到的金屬缺陷及起始于該缺陷的金屬疲勞開裂過程

什么會是疲勞？

疲勞是指在低于材料極限強度（ultimate strength）的應力（stress）長期反復作用下，導致結構終于破壞的一種現象。由于總是發生在結構應力遠低于設計容許最大應力的情況下，因此，常能躲過一般人的注意而不被發覺，這也是疲勞最危險的地方。

材料在承受反復應力的作用過程中，每一次的應力作用稱為一個應力周期（cycle），此周期內的材料受力狀態，由原本的無應力先到達最大正應力（拉伸應力），然后到達最大負應力（壓縮應力），最后回到無應力狀態。在此受力過程中，每一個應力周期所經歷的時間長短（即：頻率）與疲勞關系甚微，應力周期的振幅及累積次數才是決定疲勞破壞發生的時機；另外，壓縮應力不會造成疲勞破壞，拉伸應力才是疲勞破壞的主因。

材料承受反復應力的作用過程

疲勞破壞大致分為兩類：低周期疲勞（low cycle fatigue）及高周期疲勞（highcycle fatigue）。一般而言，發生疲勞破壞時的應力周期次數少于十萬次者，稱為低周期疲勞；高于此次數者，稱為高周期疲勞。低周期疲勞的作用應力較大，經常伴隨著結構的永久塑性變形（plasticdeformation）；高周期疲勞的作用應力較小，結構變形通常維持在彈性（elastic）范圍內，所以不致有永久變形。

材料疲勞破壞的進程分為三階段：

裂紋初始（crack initiation）、裂紋成長（crack growth）、強制破壞（rupture）。

材料表面瑕疵或是幾何形狀不連續處，材料晶格（lattice）在外力作用下沿結晶面（crystallography plane）相互滑移（slip），形成不可逆的差排（dislocation）移動，在張力及壓力交替作用下，于材料表面形成外凸（extrusion）及內凹（intrusion），造成初始裂紋。這些初始裂紋在多次應力周期的拉伸應力連續拉扯下逐漸成長，并使材料承載面積縮減，降低材料的承載能力。當裂紋成長到臨界長度（critical length）時，材料凈承載面積下的應力已超過材料的極限強度，此時的材料強制破壞也就無法避免了。

疲勞破壞特點

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；

缺陷敏感：疲勞對缺陷（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生、擴展和最后斷裂三個組成部份。

圖4 疲勞破壞典型斷口圖

影響疲勞強度的主要因素

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；

溫度：一般隨著溫度的升高，疲勞強度會降低。

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。

飛機疲勞事故詳解

（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，來配合飛行中不同的飛行情況，例如：起降時把機翼完全向外伸展，增加機翼的升力，縮短起降距離；亞音速巡航時則把機翼部分后掠，減少機翼的阻力；超音速貼地飛行時則將機翼全角度后掠。

F-111 于 1967 年出廠，當年 10 月，第一個 F-111 聯隊在內華達州內里斯（Nellis）空軍基地正式成立，8 個月之后的 1968 年 3 月 17 日，6 架 F-111 被派駐泰國執行越南戰場上的轟炸任務，經過幾個架次的熟悉環境飛行后，F-111立即開始執行任務，但 3 月 28 日一架飛機未返航，兩天后另一架飛機也未見蹤影，第三架飛機失蹤則是發生在 4 月27 日。由于每一架飛機的飛行計劃都是由飛行組員自行擬定，且飛行途中需保持無線電靜默，因此無從知道到底發生了什么事。1969 年 12 月 22 日，編號第 94 號的 F-111 在基地上空進行武器拋投（Weapons Delivery）訓練飛行時墜毀，當時飛機是低空飛越一仿真目標后，以 3.5g（±0.5g）拉起時，左翼掉落，飛機墜毀，兩名飛行員當場喪生，飛機殘骸中連接機身和左機翼的樞紐接頭（Wing Pivot Fitting）從中間斷裂成內、外兩半，內半塊遺留于機身上，外半塊則與機翼相連。檢查殘骸的結果，發現樞紐接頭下緣有個制造過程遺留的半橢圓形疲勞初始裂紋瑕疵，寬約一英吋，深度幾乎穿透厚度，因此初始裂紋經過短時間后，就成長到使接頭強制破壞的臨界長度。

（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（AirNational 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，失事機以 450 節的空速快速右轉，機體承受負載約為7.8G，此時機體開始劇烈抖動，飛行員立即將飛機改為平飛狀態，機體承受負載迅速降到 1.5G，數秒鐘后，前機身于座艙罩后面位置處斷裂并與機體完全脫離，機體空中解體為兩截，所幸飛行員跳傘后平安獲救。

F-15C 80-0034空中解體示意圖

失事后的調查報告顯示︰失事發生原因為機身斜站位（Canted FuselageStation）CFS337 處 的 右 側 上 縱 梁 斷裂，失事機上縱梁殘骸經金相分析（Metallurgical Analysis）后，發現破斷面處的厚度僅有 0.039 英吋（不到一毫米）到 0.073 英吋，完全不符合藍圖規定的 0.090 到 0.110 英吋厚度，且上縱梁表面粗度（surface roughness）也較藍圖規定粗糙。過薄的破斷面直接造成上縱梁局部應力大幅升高，在反復的飛行負載作用下，上縱梁很容易由粗糙面產生多處的疲勞初始裂紋，繼而在后續的飛行負載中持續成長，最后導致上縱梁完全斷裂。

問題就出在這根縱梁上

對其他F-15檢查后也發現了裂紋

這架 F-15C 于 1982 年開始服役，失事時飛行時數接近5,900小時。F-15C原始設計規范為”安全壽命“（SafeLife），服役壽限為 4,000 飛行小時，在美國空軍頒布”容許損傷“（DamageTolerance）設計規范后，重新依據此規范進行分析，服役壽限延長到 8,000 飛行小時，并以 16,000 飛行小時的全機疲勞試驗來加以驗證。由于分析數據顯示上縱梁的裂紋成長壽命高達 31,000飛行小時，依據設計規范其定期檢查時距為 15,500 飛行小時，遠超過飛機的服役壽限，且上縱梁在全機疲勞試驗過程中也未發現有任何損傷，所以雖屬攸關飛行安全的主要結構件，但在服役期間內并不需要進行定期檢查。

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：

結構優化設計結構設計中盡量避免產生應力集中，對過渡圓角、螺栓孔等容易產生應力集中的部位進行優化，疲勞往往出現在這些應力集中部位。

嚴格控制溫度疲勞強度一般隨著溫度的升高急劇下降，不能為了性能達標而一味地提高溫度。

采用強化措施采用各種表面強化處理、孔擠壓強化等。

提高零件加工質量裂紋往往出現在材料缺陷或者加工缺陷位置，必須加強零部件加工制造工藝，嚴格控制關鍵位置的加工精度和加工質量，減少疲勞源，防止超差等質量問題引起的疲勞失效。

在飛機制造領域，增強”金屬免疫力“是對抗金屬疲勞的有效方法。一方面，在鋼鐵和有色金屬中，加進微乎其微的稀土元素，可以大大提高金屬的抗疲勞屬性，延長使用壽命；另一方面，減少金屬材料中的雜質也能增強”金屬免疫力“，延長金屬使用壽命。雜質對疲勞性能和應力腐蝕性能影響很大，例如，對于超高強度鋼的金屬性能，國際上是通過控制硫和磷的雜質含量來保證的。在技術標準中，對于每一種雜質的最高含量，以及所有雜質含量之和都有明確的要求。在金屬構件上盡量避免生銹，用輔助工藝提高表面光潔度，以及對產生震動的機械采取防震措施，都能有效防止金屬疲勞。

在必要的時候，對金屬內部結構進行檢測，也是預防金屬疲勞的常用方法。

經過科學家們的不懈努力，如今已有多種方法可以檢測金屬的疲勞，超聲波、紅外線、γ 射線等都能對金屬進行體檢。日本的科學家還發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，通過測量這股電流，便可知道金屬究竟有多”累“。

結束語

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。