疲勞是一切工程機械的一個致命殺手。這里所說的工程機械包括天上飛的飛機，地上跑的火車、汽車與坦克，海上駛的輪船、潛水艇，以及核電站、離心機、汽輪機葉片等等。根據資料統計，機械零件（如像車軸、曲軸、連桿、齒輪、彈簧、螺栓）破壞的50%～90%均為疲勞破壞。另有報道，疲勞失效占飛機噴氣發動機全部構件破壞的49%。除此之外，壓力容器、海洋石油平臺和多種焊接結構（如橋梁、塔架等），就連家庭用具（包括自行車、衣柜的合頁和廚房里水龍頭手把等）都會發生疲勞破壞。

    觸目驚心的疲勞破壞案例

    1 “彗星”號飛機的慘痛歷史

    疲勞是飛機的第一殺手。世界第一個大型噴氣客機“彗星”號（Comet）就是由于疲勞破壞失事而成為短命的機型。“彗星”號飛機（請見圖1）是英國德？哈維蘭（de Havilland）公司于1949年設計、1952年正式投入試飛運營的。這架新型飛機可以載乘80名旅客，以800千米/小時的速度在萬米的高空飛行。同時，它又是密封機艙；旅客在10000米的高空，沒有任何不適的感覺。而且，它飛行平穩，被認為是當時在載客人數、飛行速度、舒適程度等方面都是最先進的，是當時世界首屈一指的大型噴氣式客機。

 圖1 英國德哈維蘭彗星號（de Havilland Comet）

    飛機1954年1月10日，“彗星1號”客機從意大利的羅馬起飛，航班的目的地是英國倫敦。然而不幸的是，起飛后不到半小時，機身突然在空中爆裂，隨即從9000米的高空墜入地中海，機上所有乘客和機組人員全部罹難。這次事故震驚了全世界。此前，人們對空難的認識并無深刻印象。英國的航空專家成立了專門的調查組，分析事故原因。更令人震驚的是，時隔不久， 另一架“彗星”號飛機也發生了同樣的事故，墜毀在意大利的那不勒斯海中。在1953年5月至1954年4月的不到一年的時間里，投入航線的9架“彗星”號飛機，竟有3架以完全相同的方式在空中解體。打撈出來的飛機殘骸中，一扇窗戶上發現有裂痕。與此同時，研究人員對已經停飛的“彗星”號飛機逐個進行嚴格的試驗檢測，他們把飛機放在一個極大的水槽里，用水反復加壓，模擬飛機在空中高速飛行時受到空氣摩擦、阻力、壓力、震動等各種載荷的影響。這項實驗前后一共進行了9000多個小時，發現飛機蒙皮出現了裂痕，與失事飛機殘骸上的裂痕相似。結論有了：“彗星”號飛機在飛行中由于金屬部件發生疲勞裂紋而造成了解體事故。歷史表明，如果不是“彗星”號飛機事故，人們對疲勞的認識還可能推遲一段時間。

    2 “波音747”客機引擎的疲勞故障

    1977年3月27日，一架“波音747”客機在舊金山國際機場起飛15分鐘后，由于4號引擎發生了故障造成飛機劇烈震動，急速下墜。故障引擎排氣孔迸發火星并起火，導致引擎外殼破裂并掉落碎片。所幸的是，機組人員立即關閉了故障引擎并返航，最終飛機安全降落至舊金山國際機場。

    另據法新社報道，2010年8月20日，澳洲航空公司（Qantas Airways）一架由舊金山飛往悉尼的“波音747”-438型客機在25000英尺（約7500米）的高空中發生引擎故障。后來，澳大利亞運輸安全管理局（ATSB）出示的調查報告顯示，該起事故也是由于金屬疲勞導致渦輪葉片斷裂引起的。

    3 美國“波音737”客機起落架的斷裂事故

    一架載有約150人的韓國東亞航空公司的“波音737”客機，于2013年7月22日傍晚（北京時間23日清晨），在美國紐約著陸時起落架斷裂。其機頭著地滑行，致10人受傷。圖2是乘客從滑梯滑行出艙情景的照片。

    一般而言，飛機起落架著地時受到猛烈撞擊，很容易造成疲勞斷裂。飛機設計單位為防止起落架疲勞斷裂，通常要在實驗室進行落震疲勞試驗。落震試驗機可以模擬飛機落地時的沖擊載荷，通過進行多次沖擊，來檢驗起落架耐沖擊的性能。

    圖2 乘客從客機尾部出口滑行而下（新華社/路透社）

    4 震驚世界的德國高鐵事故

    震驚世界的德國高鐵事故主要是摩擦和疲勞共同作用造成的。1998年6月3日，德國高鐵“ICE 884號”列車行經接近艾須得路橋時，突然出軌，第三節車廂撞擊艾須得路橋右側第一根梁柱，路橋坍塌，接著造成后方車廂相繼撞上，共致101人死亡，一百多人受傷。事故分析指出，這次事故的始作俑者是列車車輪。由于為了減小行駛中的振動，增加乘客的舒適感，這種列車的車輪制成多層復合結構。結果，外圈輪轂與內層輪盤發生摩擦導致外環輪圈疲勞破壞。圖3是德國高鐵“ICE 884號”列車事故照片。（細節請參見張雙寅《成敗蕭何話“摩擦”》，刊載于力學所官網科普網頁《力學園地》的“科普花園”欄目）。

    圖3 1998年6月3日德國高鐵事故照片

    5 地鐵自動扶梯的疲勞破壞

    2011年，北京市某品牌自動扶梯發生了導致人員傷亡的嚴重事故。經過科研人員的細致分析，發現了該事故起因于自動扶梯驅動主機與前座板的一枚聯接螺栓的疲勞斷裂。這一斷裂引發了隨后的一連串破壞，最終釀成災難性后果。（細節請參看陳光南和吳臣武的《自動扶梯為啥發生事故？》，刊載于力學所官網科普網頁《力學園地》的“科普花園”欄目）。

    何謂疲勞

    疲勞定義：在循環載荷（應力）作用下，發生在材料或結構某點的局部、永久性損傷的遞增；經過足夠的應力（或應變）循環周次后，損傷累積可使材料或結構產生裂紋，并使裂紋進一步擴展至完全斷裂，稱為疲勞破壞。

    疲勞（fatigue）這一術語是彭賽列于1839年提出的。到19世紀50-60年代，沃勒首先測得表征疲勞性能的S-N曲線，并提出疲勞極限的概念，奠定了疲勞研究的基礎。

    疲勞壽命（fatigue life）則是指在給定應力（或應變）水平下，材料發生破壞的循環周次。

    疲勞力學理論含有豐富的內容。作為科普小文，這里僅選最主要的基本概念予以介紹：

    1 S-N曲線

    圖4 是一條典型的S-N曲線圖。橫坐標N代表循環周次；而縱坐標S 表示應力水平（平均應力或應力幅值）。所謂循環，就是呈正弦曲線變化載荷的一個循環；恰如一個鐘擺的一次往復。圖4橫坐標的循環周次，是指材料發生疲勞破壞（或者說，達到疲勞壽命）時施加循環載荷的總次數，亦稱疲勞壽命周次或破壞周次。S-N曲線圖表證了載荷水平與疲勞壽命周次的關系。可見，載荷越大，壽命越短。

    2 疲勞極限

    由圖4可見，當應力水平小于某值S‘時，材料在無限循環次數下不會發生破壞，S' 稱為疲勞極限。對于鋼材，循環次數大于107時就認為是無限次循環。對于鋁合金材料，疲勞極限對應的疲勞周次設定為2x107。

 圖4：S-N曲線

    3 疲勞壽命

    在給定應力（或應變）水平下，材料發生破壞的循環周次稱為疲勞壽命。為了便于分析，常根據破壞周次將疲勞分為高周疲勞（high cycle fatigue）與低周疲勞（low cycle fatigue）兩類。破壞周次高于104 ―105 的疲勞是高周疲勞；破壞周次低于104 ―105 的疲勞是低周疲勞。低周疲勞的特點是材料所受作用力（應力）較大，致使局部可能進入塑性變形狀態。

    圖5 是低周疲勞破壞的一個例子。那是一個廚房冷、熱水兩用水龍頭的手把。在圓圈與長柄的結合部，有較大應力集中，發生塑性變形，產生塑性損傷。反復上下扳動手把，應力集中局部處的塑性損傷不斷累積，引發裂紋，最終導致斷裂。

    圖5 疲勞斷裂的水龍頭手把 （a） 俯視圖，（b）側視圖

    在日常生活里還有很多低周疲勞的例子。例如，我們用鉗子掐斷一根較粗的鋼絲時，由于力量不足，往往難以一次掐斷，就先用鉗子使勁夾一下，使鋼絲表面產生一個凹窩，然后將它反復彎曲，不多幾次它就會最終斷為兩截。

    以上是日常生活中的小例子，在大型工程結構中也有發生疲勞斷裂的情況。例如，哈爾濱陽明灘大橋發生斷裂事故應屬于建筑質量存在缺陷，局部應力過高，形成低周疲勞破壞（請見圖6）。它于2011年11月6日通車 ，2012年8月24日5時30分左右發生斷裂，通車時間不到1年。

    圖6 哈爾濱陽明灘大橋發生斷裂

    4 影響疲勞破壞的因素

    影響疲勞破壞的因素很多，材質、表面處理、環境溫度與濕度，乃至表面光潔度，都會對疲勞壽命與疲勞極限造成極大影響。

    以航空發動機為例，其常見破壞形式是疲勞破壞。發動機的渦輪葉片常常發生高-低周復合疲勞。渦輪轉速很高，加上振動應力，是高周疲勞形成的主要因素。而葉片離心力很大，葉片根部的凹槽有大的應力集中，高應力區會有塑性變形，引發裂紋，這是低周疲勞的特點。對于這類疲勞破壞，工藝質量的影響甚大。

    超高周疲勞VHCF

    三十多年前，人們將循環周次107定為疲勞極限；其含義就是，如果循環周次超過疲勞極限，它將是無限壽命，永遠不會破壞。但是，隨著科技發展，高速機械的廣泛應用，超過107循環周次的疲勞破壞事故屢有發生，譬如德國高鐵“ICE 884號”事故就應該屬于超高周疲勞。所以，超高周疲勞問題逐漸引起疲勞科學家的重視。上世紀80年代開始研究超高周疲勞。奈托（Naito）對鉻-鉬鋼材進行了108應力疲勞試驗，發現超高周疲勞S-N曲線與傳統的S-N曲線不同，存在兩個折點。圖7 是SUJ2鋼的S-N曲線，旋轉彎曲疲勞加載，52.5 Hz。這樣，傳統的疲勞理論受到質疑，107以上的疲勞行為開始受到重視。至今，超高周疲勞（VHCF）國際會議已進行五屆，明年第六屆超高周疲勞國際會議（VHCF-6）將在北京召開。

    圖7 SUJ2鋼的S-N曲線（引自力學所雷錚強博士論文）

    目前，VHCF試驗手段主要有兩種：旋轉彎曲疲勞與超聲疲勞。旋轉彎曲疲勞機如圖8所示；其原理是通過馬達驅動轉軸轉動，轉軸與試樣同軸連接，試樣端部掛一重物，這樣可以對樣品施加懸臂彎曲應力。試驗頻率為52.5Hz,每天做4.536*106周，做一次109試驗需要220天。

    超聲疲勞試驗設備則如圖9所示，其原理是通過振子與試驗樣品共振，對試樣施加拉~壓應力以造成疲勞。應力在試樣橫截面上分布是均勻的。試驗頻率為20kHz, 做一個109疲勞試驗只需用時13.9小時，大大節省了時間。可是，這兩種試驗結果的可比性值得懷疑。頻率不同以及應力分布不同會對試驗結果產生多大影響，值得進一步研究。

    研究表明，疲勞試驗結果具有明顯的分散性，疲勞壽命與疲勞強度的分散性隨著疲勞周次的提高而增大。超高周疲勞比低周疲勞與高周疲勞的實驗數據具有更大的分散性，其分散幅度可達三個數量級。

    另一個值得思考的問題是，既然1010乃至更高周次仍會發生疲勞破壞；那么，是否存在疲勞極限呢？是否存在某個載荷值，當構件負載小于此值時，就不會發生疲勞破壞呢？這個問題至今沒有結論。

    圖8 旋轉彎曲疲勞試驗機（引自力學所雷錚強博士論文）

圖9 超聲疲勞試驗機（引自力學所雷錚強博士論文）

    在高速機械領域里，高速離心機的轉子占有重要一席之地。在核工業領域，核原料需要進行處理才能生產出合用的核材料。例如鈾原料六氟化鈾氣體被壓縮通過一系列高速旋轉的圓筒（即離心機）。圖10是鈾濃縮離心機照片。鈾-238同位素重分子氣體比鈾-235輕分子氣體更容易在圓筒的靠近筒壁處得到富集。在靠近轉軸處富集的氣體（鈾-35富集）被導出，并輸送到另一臺離心機進一步分離。隨著氣體穿過一系列離心機，其鈾-235同位素分子被逐漸提純。這些離心機轉速非常高。一般要超過每分鐘一萬多轉。這類機械的疲勞破壞均屬于超高周疲勞。

    圖10 鈾濃縮離心機

    此外，大量研究表明，軍用飛機噴氣發動機構件的主要失效原因是高周疲勞。而高周疲勞幾乎占所有疲勞失效的一半。近幾十年來，隨著機械向高溫、高速和大推力方向發展，機械應力越來越高，使用條件越來越惡劣，疲勞破壞事故更是層出不窮。因此，許多發達國家越來越重視疲勞強度研究工作。疲勞學術論文數量大幅度上升。我國雖然對疲勞破壞問題十分重視，但同類產品的使用壽命往往比發達國家較低，問題更為嚴重。因此，開展疲勞強度研究對我國的航空工業刻不容緩的。

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責任編輯：王元

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