金属会“累”吗? 金属疲劳问题的起源与发展
2019-07-11 10:05:05 作者:本网整理 来源:金属材料科学与技术

编者按:


第一次工业革命后,蒸汽机车等装备和设备相继发明出来,但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。就这样,人们渐渐认识到了疲劳的破坏力,但最初人们对这一现象并不理解,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,人们找开了一扇窗,透过窗棂,人们看到了疲劳问题的本质,更看到了战胜金属疲劳的曙光。


人们对金属构件疲劳问题的最初理解始于19世纪。在第一次工业革命期间,重型卡车、汽车、轮船等机械设备的关键构件经常在循环载荷下断裂失效。


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起始人们很难理解,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。


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两年以后,也就是1839年,Jean-Victor Poncelet,他是球磨机(mill wheels)铸铁轴的设计者,首次在力学书中官方使用了疲劳(fatigue)这个专业词汇。


1842年,在19世纪一起最为严重的铁路事故发生了,大概在凡尔赛附近,火车头的车轴断裂了。


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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。


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1860-1870年间,August W?ler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,Johann Bauschinger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W?ler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。


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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。


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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,就需要大规划,快速制造船舰。这些船舰是美国制造出来用于作军舰的。这些舰船的框架是焊接起来的而不是采用传统的铆接。


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 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。事实上,一些船直接裂成了几部分,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。


类似彗星喷气客机断裂以及在半空中爆炸。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这些设计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。


通过对金属疲劳的认识,人们也应该重视自己,在当今社会,压力山大,即便是钢铁在超过了疲劳极限也会累,何况人乎?

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