什么是金屬的腐蝕與疲勞？

腐蝕與疲勞的“兄弟情"     

腐蝕與疲勞均為材料構件失效的主要形式，在多種情況下，二者相輔相成，相互促進，共同對材料發起攻擊，儼然一對團結互助的“好兄弟"。這對“好兄弟"一起出現時就是腐蝕疲勞，腐蝕疲勞是指材料在交變載荷和腐蝕介質的協同、交互作用下發生的一種破壞形式，廣泛存在于航空、船舶以及石油等領域，腐蝕疲勞破壞是工程上面臨的嚴重問題，現已成為工業領域急需解決的課題。今天就讓我們來聊聊腐蝕的兄弟——金屬疲勞那些事兒。金屬為什么會疲勞？     

生活經驗告訴我們，要想徒手拉斷鐵絲是非常困難的，但如果反復折幾下卻很容易折斷。這表明，即使反復變化的外力遠小于能將金屬直接拉斷的恒力，也會使它的機械性能逐漸變弱并最終損毀。金屬的這種現象和人在長期工作下的疲勞非常像，科學家們便形象地稱其為“金屬疲勞"。     

不少小伙伴都會疑惑：人累了會疲勞，怎么堅硬的金屬也會疲勞呢？正所謂“黃金無足色，白璧有微瑕"，在加工或使用的過程中，金屬總會存在一些缺陷，比如內部有雜質或孔洞、表面有劃痕。這些缺陷往往只有微米量級，很難通過肉眼觀察，如果給金屬施加一個不變的拉力，它們并不容易產生裂縫。可如果外力是反復變化的，一會兒是拉力一會兒是壓力，一部分能量就會轉換成熱，積累在金屬內部，一旦超過某個限度，金屬就很容易在缺陷處發生原子間的化學鍵斷裂，導致結構開裂。顯微鏡觀測到的金屬缺陷及起始于該缺陷的金屬疲勞開裂過程疲勞到底是什么呢？     

疲勞是指在低于材料極限強度 (ultimate strength) 的應力 (stress) 長期反復作用下，導致結構終于破壞的一種現象。由于總是發生在結構應力遠低于設計容許最大應力的情況下，因此，常能躲過一般人的注意而不被發覺，這也是疲勞最危險的地方。     

 材料在承受反復應力的作用過程中，每一次的應力作用稱為一個應力周期 (cycle)，此周期內的材料受力狀態，由原本的無應力先到達最大正應力（拉伸應力），然后到達最大負應力（壓縮應力），最后回到無應力狀態。在此受力過程中，每一個應力周期所經歷的時間長短（即頻率）與疲勞關系甚微，應力周期的振幅及累積次數才是決定疲勞破壞發生的時機。另外，壓縮應力不會造成疲勞破壞，拉伸應力才是疲勞破壞的主因。材料承受反復應力的作用過程     疲勞破壞大致分為低周期疲勞 (low cycle fatigue) 和高周期疲勞 (high cycle fatigue)。一般而言，發生疲勞破壞時的應力周期次數少于十萬次者，稱為低周期疲勞；高于此次數者，稱為高周期疲勞。低周期疲勞的作用應力較大，經常伴隨著結構的塑性變形 (plastic deformation)；高周期疲勞的作用應力較小，結構變形通常維持在彈性 (elastic) 范圍內，所以不致有變形。   

材料疲勞破壞的進程分為：裂紋初始 (crack initiation)、裂紋成長 (crack growth)、強制破壞 (rupture)。材料表面瑕疵或是幾何形狀不連續處，材料晶格 (lattice) 在外力作用下沿結晶面 (crystallography plane) 相互滑移 (slip)，形成不可逆的差排 (dislocation) 移動，在張力及壓力交替作用下，于材料表面形成外凸 (extrusion) 及內凹 (intrusion)，造成初始裂紋。這些初始裂紋在多次應力周期的拉伸應力連續拉扯下逐漸成長，使材料承載面積縮減，降低材料的承載能力。當裂紋成長到臨界長度 (critical length) 時，材料凈承載面積下的應力超過材料的極限強度，此時的材料強制破壞也就無法避免了。

疲勞破壞特點

突然性斷裂時并無明顯的宏觀塑性變形，斷裂前沒有明顯的預兆，而是突然地破壞；低應力疲勞破壞在循環應力的最大值，遠低于材料的抗拉強度或屈服強度的情況下就可以發生；重復載荷疲勞破壞是多次重復載荷作用下產生的破壞，它是較長期的交變應力作用的結果，疲勞破壞往往要經歷一定時間，與靜載下的一次破壞不同；缺陷敏感疲勞對缺陷（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；疲勞斷口疲勞破壞能清楚地顯示出裂紋的發生、擴展和最后斷裂三個組成部分。

疲勞強度影響因素     

 影響疲勞強度的因素比較多，以下幾類因素在航空發動機設計、制造中需要重點予以考慮。應力集中疲勞源總是出現在應力集中的地方，必須注意構件的細節設計以避免嚴重的應力集中，比如加大剖面突變處的圓角半徑；表面狀態疲勞裂紋常常從表面開始，所以表面狀態對疲勞強度會有顯著的影響，表面加工越粗糙，疲勞強度降低、越嚴重；溫度一般隨著溫度的升高，疲勞強度會降低。

疲勞的危害     

雖然很多人都沒聽過金屬疲勞的事兒，但它卻廣泛潛伏在人們的日常生活中，常常引發出人意料的嚴重事故。據估計，約90%的機械事故都和金屬疲勞有關。      2002年，一架由我國中國臺灣飛往香港的波音747客機在澎湖附近海域解體墜毀，造成包括機組成員在內共225人不幸罹難。事后調查認為，飛機上一塊修補過的蒙皮發生了嚴重的金屬疲勞開裂，造成機尾脫落，最終導致飛機因艙體失壓而解體。

      2007年，美國空軍的一架F-15戰斗機在模擬空戰時，戰機機頭與機身分離，飛行員彈射出艙，這次事故造成美軍F-15戰機大面積停飛，調查結果顯示，事故起因于飛機上的一根金屬縱梁發生了疲勞。

      除了飛行事故，輪船、列車、橋梁、汽車等，也常因金屬疲勞招致災難。二戰期間，美國的5000艘貨船發生了近1000次金屬疲勞事故，200多艘貨船歇菜；1998年，德國一列高速行駛的動車因車輪輪箍的疲勞斷裂而脫軌，造成100余人死亡。

抑制疲勞的方法     我們了解疲勞相關的內容，最終目的是要預防或者減少航空發動機等機械構件發生疲勞失效的情況，進行長壽命設計。如下這些措施常用于提高結構的疲勞強度：結構優化設計結構設計中盡量避免產生應力集中，對過渡圓角、螺栓孔等容易產生應力集中的部位進行優化，疲勞往往出現在這些應力集中部位。嚴格控制溫度疲勞強度一般隨著溫度的升高急劇下降，不能為了性能達標而一味地提高溫度。采用強化措施采用各種表面強化處理、孔擠壓強化等。提高零件加工質量裂紋往往出現在材料缺陷或者加工缺陷位置，必須加強零部件加工制造工藝，嚴格控制關鍵位置的加工精度和加工質量，減少疲勞源，防止超差等質量問題引起的疲勞失效。