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德晋贵宾厅原创丨金属疲劳基础 之一金属会疲劳

  生活中到处都能看到机械失效,但是,你可知道?据统计,80~95%的机械失效都是由于金属疲劳造成的,每年造成的GDP损失在全世界范围内高达4%,这是一个惊人的数字。人疲劳了,劳动效率就会降低,会出错。而金属疲劳了,可能造成巨大的经济损失和人身伤害的。下面先八卦几个金属疲劳的新闻,让你看看这玩意有多厉害。

  1949年,第一架喷气式民航客机──来自英国的De Havilland 的“彗星Comet”号首次飞行。1954年,其在短短5个月之内连续发生了两起坠毁事故,正因为这两起空难使得“金属疲劳”得到了工程界甚至普罗大众的充分重视。事后调查,彗星飞机是第一批使用增压舱的飞行器,采用的是方形窗口。其应力集中区在窗角,雪上加霜的是窗角的铆钉孔是冲压出来的,德晋贵宾厅存在冲压撕裂带,也就是存在肉眼不易察觉的微裂纹,反复增压-减压以及飞行过程中的其他变化载荷作用在窗角,造成微裂纹不断扩大,最后导致机舱解体。Comet空难夺去了68人的生命,也直接导致拥有当时最先进民航客机的De Havilland公司倒闭。 前车之鉴让有着类似惨痛经历的波音公司,痛定思痛空前重视金属疲劳问题,投入了大量的人力物力来研究金属疲劳。这也换来了今天的民航客机的舷窗都是弧形窗角。

  其实,国内也有类似的惨痛经历。我国在上世纪80年代的中美蜜月期引进了24架大名鼎鼎的黑鹰black hawk直升机,其中一架于1987年在气象条件极佳的情况下,突然无故坠毁,截至失事前,该黑鹰共飞行331小时,而其设计飞行寿命高达为5900小时。这也引起了中美双方的一场嘴仗。我国专家根据痕迹检验和断口分析,发现黑鹰尾传动轴上有一条0.5毫米宽、0.06毫米深的加工刀痕,在刀痕底部延伸出一条深0.15毫米的沿晶裂纹。正是加工中的切削刀痕和沿晶裂纹这个“疲劳源”不能长期承受正常载荷下的高循环,又逐渐向外延伸成了大的裂痕,因而造成尾传动轴使用331小时就疲劳断裂,从而导致事故的发生,我国专家的结论终于令老美折服,也为国家赢得了300万美元的赔偿。高循环的循环应力是直接原因,但这个是无法避免的,切削刀痕和沿晶裂纹是直接诱因,也是root cause。八卦了这么久之后,那么到底什么是金属疲劳?

  金属疲劳metal fatigue是指材料、零构件在一定时间的循环应力或循环应变作用下的破坏现象。首先它是显著区别于静力载荷带来的破坏的。静力破坏是一次性载荷作用下的破坏,疲劳破坏是重复载荷作用下的破坏,必然是需要一定时间的。当静力载荷带来的应力必须大于其屈服或者抗拉强度;而交变应力通常小于屈服极限。以生活常识来说,当你需要弄断一段铁丝,通常你会以某点为中心左右来回拧它,很快铁丝就断了,左右拧就是施加循环载荷,最后的破坏就是疲劳破坏。当然,如果你会七十二手错骨分筋手的话,可能一下就可将铁丝分筋错骨的话,那就是静力破坏了。

  金属疲劳的基本特点肯定是循环载荷,其实在工程实际中,结构通常承受的是随机载荷,但是聪明的工程师们通常会把随机载荷转化成若干循环载荷的组合,常用方法有计数法和功率谱法。这样做的目的是便于分析和作为疲劳试验的输入,毕竟常见的疲劳试验机都是用正弦输入来加载的,这样既简单又有很好的重复性。这也符合人的天性-把复杂问题分割成简单问题。最简单的循环载荷如下图:

  知道了以上最基本的金属疲劳知识之后,工程师永远要回答一个问题,如何能设计一个靠谱的结构能够抵抗金属疲劳?并且拥有一定的寿命呢?

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