金属也会“累”?一文概述金属疲劳
- 作者优秀
- 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
- 平台推荐
- 主编推荐
人的身体劳累过度会疲劳，怎么金属还会疲劳?看到这个标题会自然产生这样的疑问。为了说明金属材料疲劳的概念，我们取一枚曲别针，把它用手指头掰直。不用任何工具，你试用手指把它拉断，试试看，即使你使尽最大的力气，不行吧。可是你只要把它来回弯曲几次，曲别针便会轻易地弄断。这个现象说明，金属材料在恒定的力作用下比起变化的力作用下有较大的强度。在变化大小的力作用下，虽然这些力远没有达到平常恒力作用下使材料破坏的程度，材料却破坏了。这种现象就称为金属的疲劳破坏。金属材料的疲劳断裂现象，是随着近代工业的兴起被逐渐发现的。人类所建造的结构，在古代大多是承受静止的恒力结构，如房屋建筑，桥梁结构等。桥梁虽然也承受变动荷载，但古代的桥梁材料的自重比起过桥的动载荷要大许多，仍然可以近似看作承受恒力的结构。近代工业兴起后情况大不一样，首先由于金属材料的广泛采用，结构的自重大为减小，外載的变化表现得较为突出;其次是由于机械工业的兴起，转动的机器、行进的车船，其载荷大量表现为变动的载荷，引起的材料内部的应力绝大多数可以看为交变应力。于是由于疲劳断裂的事故屡屡发生，逐渐引起了人们的注意和研究。第一次工业革命后，随着蒸汽机等装备的相继发明，随之而来的是大量的断裂事故。人们发现：在循环载荷作用下，构件的使用寿命远小于设计寿命，甚至不到设计寿命的一半。随后人们开展了一些有针对性的研究，金属构件疲劳断裂的面纱渐渐被掀开。从此，人们逐步了解疲劳问题的本质，并看到了战胜金属疲劳的曙光。
起初人们很难理解，为什么在循环载荷或交变载荷下服役的金属构件的寿命远远小于设计寿命。在这段时间里，一些刻骨铭心的失效事件让人无比心痛，这也开启了人们对金属构件疲劳问题的认识。
William Albert于1837年首次发表了一篇金属构件疲劳的文章，并建立了循环载荷和金属构件耐久度(durability)之间的关系。两年以后，也就是1839年，Jean-Victor Poncelet，球磨机(mill wheels)铸铁轴的设计者，首次使用了疲劳(fatigue)这个专业词汇。
19世纪一起最为严重的铁路事故在1842年发生了，大概在凡尔赛附近，火车头的车轴断裂了。William John Macquorn Rankine是这起事故的调查员，他来自英国轨道车辆公司，针对这起失效车轴的事故分析表明：它的失效源于沿径向的脆性开裂。
1860-1870年间，August Wöler随后做了一些开拓性的工作，在他研究车轴失效机制的时候应用了受控负载循环。他引进了旋转弯曲疲劳测试，这项工作接下来直接促进了S-N曲线图的发展，S-N曲线图主要用于评估疲劳寿命和耐久度或金属的疲劳极限。疲劳极限代表在某一应力水平下金属将拥有无限或非常高的疲劳寿命。
在1886年，JohannBauschinger写了第一篇关于材料循环应力-应变行为的文章。在19世纪末，Gerber和Goodman研究了平均应力对疲劳参数的影响并提出疲劳寿命简化理论。基于这些理论，设计者和工程师开始在产品研发时进行疲劳分析，对构件的寿命预测比以往更准确了。
在20世纪初叶，J.A. Ewing证实疲劳失效起源于微观裂纹。1910年，O.H.Baskin使用Wöler测试数据定义了一个典型的S-N曲线的形状并提出了对数关系。L. Bairstow接下来研究了金属在循环载荷条件下的循环硬化和软化行为。
Alan A. Griffith在1920年的工作直接导致断裂力学的诞生，他研究了裂纹在脆性玻璃中的扩展。当断裂力学的观点渗透到疲劳裂纹的表征后极大地加深了人们对疲劳断裂的理解。然而，尽管有了这样的发展，疲劳和断裂分析仍然不能被设计者熟练掌握和实践。这一课题最终还是解决了，在第二次世界大战期间，发生了一些严重的事故直接刺激了这个问题的研究和攻克。既然是战争，就需要大规模快速制造舰船。这些舰船的框架是焊接起来的而不是采用传统的铆接。
在大西洋的海水中，这些船在冷水中很快就发生了开裂事故。海浪的冲击导致了疲劳裂纹的萌生，然后这些裂纹在寒冷的环境中快速扩展导致了灾难性的后果。当温度降至零下以后，会显著降低焊缝和基体金属的塑性，因此会使之变脆。因为脆性材料的断裂能远少于塑性材料，这会导致它们内部的临界裂纹尺寸的减小，断裂发生在室温条件下看起来很安全的载荷条件下。一架客机在10000米高空中飞行中就像一个加压的气球，机身的墙壁承受拉应力。因为航空飞行器的设计未考虑疲劳问题，循环空气动力载荷导致裂纹通过机身萌生和扩展，并导致飞机最终断裂。
今天，我们的汽车、轮船和飞机等大型装备，其构件在进行生产之前都进行了抗疲劳设计，这种设计在较大程度上保证了在设计寿命范围内的安全。安全并不是绝对的，随着人们对机械设备更高、更快、更苛刻的功能要求，其疲劳还是无法避免。我们常常形容一个人有钢铁般的意志。这说明在人们心中钢铁很强，但如果它“累”了，它也会碎掉，金属的疲劳应引起人们更大的重视。因为它给金属构件带来的破坏是致命的和灾难性的。金属疲劳是一个十分复杂的过程，从微观到宏观，受到众多因素的影响，尤其是对材料和构件静力强度影响很小的因素，对疲劳影响却非常显著，例如构件的表面缺陷，应力集中等。虽然金属疲劳想要完全避免是不可能的，但科学研究表明，金属疲劳可以预先检测出来。日本的科学家发明了一种掺入钛酸铅粉末的特殊涂料，在敲击金属时，金属表面的涂料薄膜中会有电流通过，且电流的大小和金属的疲劳程度有关，通过测量这股电流，便可知道金属究竟有多“累”。此外，超声波、红外线、射线等都能对金属进行体检。近年来，通过各种检测手段避免了很多因金属疲劳而可能发生的事故。比如利用X射线衍射法，就可检测出由于应力集中诱发的金属疲劳。在零构件成型服役前，甚至在制造过程中，通过检测手段发现应力集中现象，并采取措施均化应力，能有效杜绝疲劳破坏。
除了必要的检测手段，为了避免金属疲劳，应尽量减少金属器件上的薄弱区域，往往疲劳断裂就发生在这些区域，比如开孔、挖槽、切口等。再则，要提高金属器件的表面光洁度，避免产生腐蚀生锈，否则会引发表面损伤。通过对金属器件表面进行强化处理可提高强度，比如通过辗压的方式达到表面强化，避免产生微裂纹，从而减小金属疲劳产生的几率。在金属器件的设计上也可避免金属疲劳引发的事故，比如在薄弱区域采用复式结构，有一个零部件被破坏，备用零件可暂时承受外力。
为了减少金属疲劳事故的发生，科学家们在金属的制备和使用过程中也做足了功夫。随着科技的发展，材料的创新研发日新月异，目前已研制出多种含有金属的复合材料，这是由于合金中的几种物质能填补彼此的空隙，有效提高金属抵抗疲劳的能力。金属疲劳影响因素复杂，除去必要的检测手段，结合工艺方案改造、材料的更新研发，抗击金属疲劳这条路，依旧漫长。
引用文献：
金属材料科学与技术——“金属会“累”吗? 金属疲劳问题的起源与发展”
博客：武际可科学网——“金属会疲劳？
获赞 10098粉丝 21559文章 3539课程 219
