相信大家都聽過“蝴蝶效應(yīng)”這個詞吧，常見的闡述是這樣的：南美洲亞馬遜熱帶雨林中的一只蝴蝶偶爾扇動了幾下翅膀，兩周后美國德克薩斯州迎來了一場龍卷風(fēng)。

  蝴蝶與龍卷風(fēng)

    后來拍的電影《蝴蝶效應(yīng)》更是精彩，主角們多次回到過去企圖改變未來，卻沒想到把世界弄得更糟了。這個詞的寓意就在于看似極其不經(jīng)意的小細(xì)節(jié)，經(jīng)過不斷放大，都可能引發(fā)很嚴(yán)重的后果。

    在航空領(lǐng)域，小小的裂紋又何以釀成機(jī)毀人亡的重大慘劇？那么今天就跟小編一起來了解一下疲勞破壞中暗含的蝴蝶效應(yīng)。

    1.什么是疲勞破壞

    疲勞破壞是指材料、零構(gòu)件在低于其強(qiáng)度極限的應(yīng)力或應(yīng)變循環(huán)往復(fù)作用下，在一處或幾處逐漸產(chǎn)生局部永久性累計損傷，經(jīng)過一定循環(huán)次數(shù)后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的過程，且在斷裂之前沒有明顯的宏觀塑性變形。

    比如說對于細(xì)鐵絲，如果我們想用手將其直接拉斷，那真是難于上青天，估計是吃了菠菜的大力水手才能辦到；但如果我們反復(fù)彎折鐵絲上的某一點，沒一會兒鐵絲輕松斷了，這就是巧妙地利用了金屬疲勞的效應(yīng)。

彎折鐵絲

    2.疲勞的特點

    1）疲勞為低應(yīng)力循環(huán)延時斷裂，即斷裂的發(fā)生有一定的壽命，其斷裂應(yīng)力水平往往低于材料的抗拉強(qiáng)度甚至是屈服強(qiáng)度；

     疲勞強(qiáng)度隨循環(huán)加載次數(shù)的增加而減小

    2）疲勞為脆性斷裂，由于一般疲勞的應(yīng)力水平比屈服強(qiáng)度低，所以不論是韌性材料還是脆性材料，在疲勞斷裂前均不會發(fā)生塑性變形；

    疲勞斷裂是脆性斷裂

    3）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。

    各種金屬缺陷的微觀結(jié)構(gòu)

    3.疲勞斷裂的影響因素

    由于疲勞斷裂一般是從零件表面應(yīng)力集中處或材料缺陷處發(fā)生的，因此影響其疲勞強(qiáng)度的因素可基于此分為內(nèi)因和外因。內(nèi)因主要是指材料成分、組織結(jié)構(gòu)和表面狀況等，外因包括溫度、介質(zhì)、載荷及其加載方式等。

    其中，外因中最具推動作用的是外部交變載荷。一般把大小、方向周期性變化的應(yīng)力叫做循環(huán)應(yīng)力，相對地?zé)o規(guī)則變化的力叫做隨機(jī)變動應(yīng)力。

    循環(huán)應(yīng)力與隨機(jī)變動應(yīng)力

    不同的交變載荷具有不同的疲勞效果。從斷裂壽命來看，一般加載循環(huán)次數(shù)大于100000次的疲勞斷裂叫做高周疲勞（也叫低應(yīng)力疲勞）；加載循環(huán)次數(shù)處于100~100000次之間的叫做低周疲勞（也叫高應(yīng)力疲勞）。通俗來說，前者好比是少食多餐，后者則是暴飲暴食。

    高周疲勞與低周疲勞示意

    應(yīng)力應(yīng)變回線反應(yīng)循環(huán)加載的硬化和軟化現(xiàn)象

    內(nèi)因中，從材料成分入手，可以繪制出各種金屬材料的疲勞曲線圖。可以很明顯地看到，金屬疲勞曲線有兩大類。

    一類是有水平線段的曲線，該水平線段代表了材料的疲勞極限，一般的結(jié)構(gòu)鋼及球墨鑄鐵等材料具有此類特性；另一類是無水平線段的曲線，表示材料沒有疲勞極限，像有色金屬、不銹鋼和高強(qiáng)度鋼等，意味著可以承受更多次的循環(huán)加載。

    兩類金屬疲勞曲線

    4.疲勞斷裂的過程機(jī)理

    疲勞斷裂包括疲勞裂紋萌生，裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展及最后失穩(wěn)擴(kuò)展三個階段。材料整體的疲勞壽命是由疲勞裂紋萌生期和裂紋亞擴(kuò)展期的時間累加而得到。

   疲勞斷裂的前兩個主要階段

    其中，疲勞裂紋萌生本質(zhì)上是由不均勻的局部滑移和顯微開裂引起的，主要方式有表面滑移帶的開裂，第二相、夾雜物或其晶界等處的開裂以及晶界或亞晶界處的開裂。

     晶界開裂

    裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展的形成機(jī)理是首先從個別侵入溝或擠出脊先形成微裂紋，再沿著最大切應(yīng)力方向向內(nèi)擴(kuò)展；之后由于晶界的阻礙作用，裂紋沿著垂直拉應(yīng)力方向擴(kuò)展，直到最后形成剪切唇為止。

  
    剪切唇示意圖

    5.疲勞破壞的危害

    在現(xiàn)代工業(yè)的各個領(lǐng)域中，大約有50%~90%的金屬材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度破壞都是由于疲勞破壞造成的，如軸、曲軸、連桿、彈簧、螺栓、壓力容器、輪機(jī)葉片和焊接結(jié)構(gòu)等。

    齒輪的疲勞破壞

      金屬材料無論是塑性材料還是脆性材料，疲勞破壞都是突然發(fā)生的，事先沒有明顯的塑性變形和事故征兆；因此，這種破壞具有很大的危險性，嚴(yán)重威脅重大設(shè)備的正常運(yùn)行和操作人員的生命。

    航空史上最著名的軍用飛機(jī)疲勞破壞事件，當(dāng)屬1969年美國空軍的F-111空中解體。1969年12月22日，編號第94號的F-111在基地上空進(jìn)行武器拋投訓(xùn)練，在拉起飛行時，左翼掉落，飛機(jī)墜毀，兩名飛行員當(dāng)場喪生，飛機(jī)殘骸中連接機(jī)身和左機(jī)翼的樞紐接頭從中間斷裂成兩半。事后檢查殘骸發(fā)現(xiàn)，是樞紐接頭下緣的半橢圓形疲勞初始裂紋瑕疵導(dǎo)致的。

    1979年5月25日，一架滿載乘客的美國航空公司DC-10型三引擎巨型噴氣客機(jī)，從芝加哥起飛不久，就失去了左邊一具引擎，隨即著火燃燒，然后爆炸墜地。機(jī)上273名乘客和機(jī)組人員無一幸免。事后的殘骸檢查中發(fā)現(xiàn)，這架飛機(jī)上一個連接引擎與機(jī)翼的螺栓因金屬疲勞折斷，從而導(dǎo)致了引擎燃燒爆炸。

      6.航空抗疲勞制造技術(shù)

    如前面所說，疲勞壽命受許多因素的影響，包括表面殘余應(yīng)力、表面微觀組織、缺口效應(yīng)、尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、材料強(qiáng)度、硬度以及腐蝕環(huán)境等多種因素。因此，在航空制造技術(shù)中，提高其抗疲勞性能的方法無外乎針對這些要素對癥下藥，總的來說可以分為物理、化學(xué)、機(jī)械和高能束處理四個方面。

    1）物理方法

    物理方法通過提高材料表層的硬度和強(qiáng)度提升材料抗疲勞的性能，其特點是不改變表層化學(xué)成分，通過表層相變來提高零件的疲勞強(qiáng)度，在航空制造中，表面淬火是一種常用的方法。

     航空發(fā)動機(jī)外殼的表面淬火

    由于淬硬層中的馬氏體組織很細(xì)，硬度和強(qiáng)度比一般整體淬火的高，因而具有較好的抗粘著磨損與疲勞磨損能力；同時馬氏體的比容較大，使得淬硬層中存在較大的殘余壓應(yīng)力。這種具有殘余壓應(yīng)力的高硬度表面層能使工件的疲勞強(qiáng)度明顯提升。

    2）化學(xué)方法

    化學(xué)方法是利用化學(xué)熱處理技術(shù)通過改變表慢化學(xué)成分，并形成單相或多相的擴(kuò)散層來大大提高材料表層的硬度，同時還可以建立很高的殘余壓應(yīng)力，從而提高材料的疲勞性能。主要方法包括滲碳、滲氮、碳氮共滲、磷化和陽極氧化等工藝。近年來，離子滲碳、真空擴(kuò)滲、滲硼和多元素共滲等新方法也得到了較大的發(fā)展。

    3）機(jī)械方法

    機(jī)械方法的突出特點是利用冷變形技術(shù)，使金屬材料表面產(chǎn)生形變硬化層，并引入高殘余壓應(yīng)力，因而能夠減少疲勞應(yīng)力作用下裂紋的形核并抑制裂紋的早期擴(kuò)展，從而顯著提高機(jī)械零件的抗疲勞斷裂和抗應(yīng)力腐蝕開裂的能力。主要工藝方法包括滾壓、擠壓、噴丸、干涉配合和拋光處理等。

    在航空制造中，孔的冷擠壓強(qiáng)化工藝已廣泛應(yīng)用于航空工業(yè)發(fā)達(dá)國家的軍機(jī)和民機(jī)，同時干涉孔配合工藝更是大大促進(jìn)了其成功應(yīng)用，使得抗疲勞效果更為顯著。

    孔擠壓強(qiáng)化處理的渦扇發(fā)動機(jī)

    4）高能束處理

    高能束處理技術(shù)是在材料局部表面施以高密度的能量，并使之發(fā)生物理、化學(xué)變化，達(dá)到顯著提升抗疲勞能力的目的。目前正在研究和應(yīng)用的技術(shù)有激光沖擊、激光相變硬化、激光熔凝、激光合金化以及離子注入等。

    航空制造中很受歡迎的一種方法是激光相變硬化法。該種工藝不改變物質(zhì)的狀態(tài)，強(qiáng)化后材料表面仍很光滑，變形也很小；同時處理后的表層內(nèi)應(yīng)力為壓應(yīng)力，對材料的疲勞性能有很大的提高，有較大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。

更多關(guān)于材料方面、材料腐蝕控制、材料科普等等方面的國內(nèi)外最新動態(tài)，我們網(wǎng)站會不斷更新。希望大家一直關(guān)注中國腐蝕與防護(hù)網(wǎng)http://www.ecorr.org 

責(zé)任編輯：王元

《中國腐蝕與防護(hù)網(wǎng)電子期刊》征訂啟事
投稿聯(lián)系：編輯部
電話：010-62313558-806
郵箱：ecorr_org@163.com
中國腐蝕與防護(hù)網(wǎng)官方 QQ群：140808414