金屬疲勞度測試

人的身體勞累過度會疲勞，怎么金屬還會疲勞?看到這個標題會自然產生這樣的疑問。

金屬也會累

為了說明金屬材料疲勞的概念，我們取一枚曲別針，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。

金屬材料的疲勞斷裂現(xiàn)象，是隨著近代工業(yè)的興起被逐漸發(fā)現(xiàn)的。人類所建造的結構，在古代大多是承受靜止的恒力結構，如房屋建筑，橋梁結構等。橋梁雖然也承受變動荷載，但古代的橋梁材料的自重比起過橋的動載荷要大許多，仍然可以近似看作承受恒力的結構。

金屬疲勞問題的起源與發(fā)展

近代工業(yè)興起后情況大不一樣，首先由于金屬材料的廣泛采用，結構的自重大為減小，外載的變化表現(xiàn)得較為突出;其次是由于機械工業(yè)的興起，轉動的機器、行進的車船，其載荷大量表現(xiàn)為變動的載荷，引起的材料內部的應力絕大多數可以看為交變應力。于是由于疲勞斷裂的事故屢屢發(fā)生，逐漸引起了人們的注意和研究。

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，構件的使用壽命遠小于設計壽命，甚至不到設計壽命的一半。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，并看到了戰(zhàn)勝金屬疲勞的曙光。

對金屬構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件的壽命遠遠小于設計壽命。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件疲勞問題的認識。

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

兩年以后，也就是1839年，Jean-Victor Poncelet，球磨機(mill wheels)鑄鐵軸的設計者，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，JohannBauschinger寫了第一篇關于材料循環(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的影響并提出疲勞壽命簡化理論?；谶@些理論，設計者和工程師開始在產品研發(fā)時進行疲勞分析，對構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測試數據定義了一個典型的S-N曲線的形狀并提出了對數關系。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計者熟練掌握和實踐。

這一課題最終還是解決了，在第二次世界大戰(zhàn)期間，發(fā)生了一些嚴重的事故直接刺激了這個問題的研究和攻克。既然是戰(zhàn)爭，就需要大規(guī)?？焖僦圃炫灤?。這些艦船的框架是焊接起來的而不是采用傳統(tǒng)的鉚接。

在大西洋的海水中，這些船在冷水中很快就發(fā)生了開裂事故。海浪的沖擊導致了疲勞裂紋的萌生，然后這些裂紋在寒冷的環(huán)境中快速擴展導致了災難性的后果。

當溫度降至零下以后，會顯著降低焊縫和基體金屬的塑性，因此會使之變脆。因為脆性材料的斷裂能遠少于塑性材料，這會導致它們內部的臨界裂紋尺寸的減小，斷裂發(fā)生在室溫條件下看起來很安全的載荷條件下。

一架客機在10000米高空中飛行中就像一個加壓的氣球，機身的墻壁承受拉應力。因為航空飛行器的設計未考慮疲勞問題，循環(huán)空氣動力載荷導致裂紋通過機身萌生和擴展，并導致飛機最終斷裂。

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

安全并不是絕對的，隨著人們對機械設備更高、更快、更苛刻的功能要求，其疲勞還是無法避免。我們常常形容一個人有鋼鐵般的意志。這說明在人們心中鋼鐵很強，但如果它“累”了，它也會碎掉，金屬的疲勞應引起人們更大的重視。因為它給金屬構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?

金屬疲勞是一個十分復雜的過程，從微觀到宏觀，受到眾多因素的影響，尤其是對材料和構件靜力強度影響很小的因素，對疲勞影響卻非常顯著，例如構件的表面缺陷，應力集中等。

雖然金屬疲勞想要完全避免是不可能的，但科學研究表明，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，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。

(應力檢測設備)

除了必要的檢測手段，為了避免金屬疲勞，應盡量減少金屬器件上的薄弱區(qū)域，往往疲勞斷裂就發(fā)生在這些區(qū)域，比如開孔、挖槽、切口等。再則，要提高金屬器件的表面光潔度，避免產生腐蝕生銹，否則會引發(fā)表面損傷。通過對金屬器件表面進行強化處理可提高強度，比如通過輾壓的方式達到表面強化，避免產生微裂紋，從而減小金屬疲勞產生的幾率。

在金屬器件的設計上也可避免金屬疲勞引發(fā)的事故，比如在薄弱區(qū)域采用復式結構，有一個零部件被破壞，備用零件可暫時承受外力。

為了減少金屬疲勞事故的發(fā)生，科學家們在金屬的制備和使用過程中也做足了功夫。隨著科技的發(fā)展，材料的創(chuàng)新研發(fā)日新月異，目前已研制出多種含有金屬的復合材料，這是由于合金中的幾種物質能填補彼此的空隙，有效提高金屬抵抗疲勞的能力。

金屬疲勞影響因素復雜，除去必要的檢測手段，結合工藝方案改造、材料的更新研發(fā)，抗擊金屬疲勞這條路，依舊漫長。