金屬材料在原料加工過程中容易帶來氣孔、分層和雜質(zhì)等原始缺陷，在后期的實際應用中，極易產(chǎn)生疲勞損傷。如果不能及時發(fā)現(xiàn)并定位疲勞損傷結(jié)構(gòu)，將使得損傷累積擴展進而引發(fā)材料結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂，造成難以估量的損失。先來看一些案例。

金屬疲勞案例

1、2004年日本美浜核電站事故

美浜核電站座落于東京西部大約320公里的福井縣，1976年投入運營，1991年至2003年曾發(fā)生過幾次與核有關(guān)的小事故。2004年8月9日，渦輪所在建筑內(nèi)連接3號反應堆的水管在工人們準備進行例行安全檢查時突然爆裂。雖然并未導致核泄漏，但蒸汽爆發(fā)還是導致5名工人死亡，數(shù)十人受傷。2006年，美浜核電站又發(fā)生火災，導致兩名工人死亡，事故原因主要是蒸汽發(fā)生器內(nèi)細管的金屬疲勞。

2、1998年德國ICE城際列車脫軌事件

1998年6月3日，由慕尼黑開往漢保的德國ICE884次高速列車在運行至距漢諾威東北方向附近的小鎮(zhèn)埃舍德時，發(fā)生了第二次世界大戰(zhàn)后德國最為慘重的列車脫軌行車事故。該列車由兩輛機車和12輛拖車組成，事故發(fā)生后，12輛拖車全部脫軌。造成100人死亡，88人重傷。

經(jīng)過調(diào)查小組的不懈努力，發(fā)現(xiàn)導致事故的是一只發(fā)生疲勞斷裂的車輪鋼圈，火車車輪在轉(zhuǎn)動時會承受極大的重量而略微收縮，以支撐沉重的車體，這種反復的收縮導致了車輪鋼圈的疲勞，然而當時并未引起工程師的重視，這才導致了這次悲劇。

3、日本航空123號班機空難事件

1985年8月12日，飛機編號為JA8119的波音747-100SR型班機搭載509名乘客及15名機組員，從日本東京的羽田機場起飛，預定飛往大阪伊丹機場。在御巢鷹山區(qū)附近的高天原山(距離東京約100公里)處墜毀，520人罹難。

日本官方的航空與鐵道事故調(diào)查委員會經(jīng)過調(diào)查后，做出三點結(jié)論，其中一點指出“該飛機曾損傷機尾，受損后波音公司沒有妥善修補，正常需要二排鉚釘，但維修人員只是將損傷的部分補了排鉚釘，所以增加了接合點附近金屬蒙皮所承受的剪力，使該處累積了金屬疲勞的現(xiàn)象”。

金屬疲勞是什么?

細看這些事故，其中都出現(xiàn)了“金屬疲勞”這個詞的身影，那么，金屬疲勞到底是怎么回事？

金屬“疲勞”一詞，最早是由德國科學家沃勒發(fā)現(xiàn)的，19世紀50年代，沃勒就發(fā)現(xiàn)了表現(xiàn)金屬疲勞特性的曲線，并提出了疲勞極限的概念。

為了說明金屬材料疲勞的概念，我們?nèi)∫幻肚鷦e針，把它用手指頭掰直。不用任何工具，你試用手指把它拉斷，試試看，即使你使盡最大的力氣，不行吧。可是你只要把它來回彎曲幾次，曲別針便會輕易地弄斷。

 這個現(xiàn)象說明，金屬材料在恒定的力作用下比起變化的力作用下有較大的強度。在變化大小的力作用下，雖然這些力遠沒有達到平常恒力作用下使材料破壞的程度，材料卻破壞了。這種現(xiàn)象就稱為金屬的疲勞破壞。

金屬疲勞問題的起源與發(fā)展

第一次工業(yè)革命后，隨著蒸汽機等裝備的相繼發(fā)明，隨之而來的是大量的斷裂事故。人們發(fā)現(xiàn)：在循環(huán)載荷作用下，構(gòu)件的使用壽命遠小于設(shè)計壽命，甚至不到設(shè)計壽命的一半。隨后人們開展了一些有針對性的研究，金屬構(gòu)件疲勞斷裂的面紗漸漸被掀開。從此，人們逐步了解疲勞問題的本質(zhì)，并看到了戰(zhàn)勝金屬疲勞的曙光。

對金屬構(gòu)件疲勞問題的最初理解始于19世紀。起初人們很難理解，為什么在循環(huán)載荷或交變載荷下服役的金屬構(gòu)件的壽命遠遠小于設(shè)計壽命。在這段時間里，一些刻骨銘心的失效事件讓人無比心痛，這也開啟了人們對金屬構(gòu)件疲勞問題的認識。

William Albert于1837年首次發(fā)表了一篇金屬構(gòu)件疲勞的文章，并建立了循環(huán)載荷和金屬構(gòu)件耐久度(durability)之間的關(guān)系。

兩年以后，也就是1839年，Jean-Victor Poncelet，球磨機(mill wheels)鑄鐵軸的設(shè)計者，首次使用了疲勞(fatigue)這個專業(yè)詞匯。

19世紀一起最為嚴重的鐵路事故在1842年發(fā)生了，大概在凡爾賽附近，火車頭的車軸斷裂了。

William John Macquorn Rankine是這起事故的調(diào)查員，他來自英國軌道車輛公司，針對這起失效車軸的事故分析表明：它的失效源于沿徑向的脆性開裂。

1860-1870年間，August W?ler隨后做了一些開拓性的工作，在他研究車軸失效機制的時候應用了受控負載循環(huán)。他引進了旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞測試，這項工作接下來直接促進了S-N曲線圖的發(fā)展，S-N曲線圖主要用于評估疲勞壽命和耐久度或金屬的疲勞極限。疲勞極限代表在某一應力水平下金屬將擁有無限或非常高的疲勞壽命。

在1886年，Johann Bauschinger寫了第一篇關(guān)于材料循環(huán)應力-應變行為的文章。在19世紀末，Gerber和Goodman研究了平均應力對疲勞參數(shù)的影響并提出疲勞壽命簡化理論。基于這些理論，設(shè)計者和工程師開始在產(chǎn)品研發(fā)時進行疲勞分析，對構(gòu)件的壽命預測比以往更準確了。

在20世紀初葉，J. A. Ewing證實疲勞失效起源于微觀裂紋。1910年，O.H. Baskin使用W?ler測試數(shù)據(jù)定義了一個典型的S-N曲線的形狀并提出了對數(shù)關(guān)系。L. Bairstow接下來研究了金屬在循環(huán)載荷條件下的循環(huán)硬化和軟化行為。

Alan A. Griffith在1920年的工作直接導致斷裂力學的誕生，他研究了裂紋在脆性玻璃中的擴展。當斷裂力學的觀點滲透到疲勞裂紋的表征后極大地加深了人們對疲勞斷裂的理解。然而，盡管有了這樣的發(fā)展，疲勞和斷裂分析仍然不能被設(shè)計者熟練掌握和實踐。

今天，我們的汽車、輪船和飛機等大型裝備，其構(gòu)件在進行生產(chǎn)之前都進行了抗疲勞設(shè)計，這種設(shè)計在較大程度上保證了在設(shè)計壽命范圍內(nèi)的安全。

安全并不是絕對的，隨著人們對機械設(shè)備更高、更快、更苛刻的功能要求，金屬疲勞還是無法避免，應引起人們更大的重視。因為它給金屬構(gòu)件帶來的破壞是致命的和災難性的。

如何發(fā)現(xiàn)金屬疲勞?

科學研究表明，金屬疲勞可以預先檢測出來。

日本的科學家發(fā)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(guān)，通過測量這股電流，便可知道金屬究竟有多“累”。

此外，超聲波、紅外線、射線等都能對金屬進行體檢。近年來，通過各種檢測手段避免了很多因金屬疲勞而可能發(fā)生的事故。比如利用X射線衍射法，就可檢測出由于應力集中誘發(fā)的金屬疲勞。在零構(gòu)件成型服役前，甚至在制造過程中，通過檢測手段發(fā)現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，并采取措施均化應力，能有效杜絕疲勞破壞。

 除了常規(guī)檢測手段，金屬材料疲勞試驗也可以通過模擬結(jié)構(gòu)或部件的實際工作狀況，在試驗室內(nèi)測定材料的疲勞壽命設(shè)計曲線。一些常用試驗方法通常包括單點疲勞試驗法、升降法、高頻振動試驗法、超聲疲勞試驗法、紅外熱像技術(shù)疲勞試驗方法等。

金屬疲勞損傷的非線性超聲檢測方案

100多年來，人們從未停止對金屬疲勞的研究，其中最讓人關(guān)注的，是如何對現(xiàn)代化工業(yè)設(shè)備采取預防和保護措施，防患于未然。比如，選擇具有較高抗疲勞性能的材料，防止應力集中，合理布局結(jié)構(gòu)，提高構(gòu)件表面加工質(zhì)量和采用一些新技術(shù)和新工藝等。

中國科學院院士，著名金屬材料學家周惠久先生在他所著的《金屬材料強度學》一書中曾提到：“據(jù)統(tǒng)計，在各類零件的失效中，大約有80%是由于疲勞破壞所引起的。”由此可見金屬疲勞強大的破壞力。而抗擊金屬疲勞這條路，道阻且長，吾輩還需繼續(xù)努力。