材料力学期末论文--金属疲劳与防护

材料力学期末论文
林启洲
机1005
201061046
2012/5/29
浅谈金属疲劳的利弊与防护
金属疲劳在生活和工程中是一个经常被提及的名词。

金属疲劳的定义是：在交变应力作用下，金属材料发生的破坏现象。

机械零件在交变压力作用下，经过一段时间后，在局部高应力区形成微小裂纹，再由微小裂纹逐渐扩展以致断裂。

疲劳破坏具有在时间上的突发性，在位置上的局部性及对环境和缺陷的敏感性等特点，故疲劳破坏常不易被及时发现且易于造成事故。

应力幅值、平均应力大小和循环次数是影响金属疲劳的三个主要因素。

金属内部结构并不均匀，从而造成应力传递的不平衡，有的地方会成为应力集中区。

与此同时，金属内部的缺陷处还存在许多微小的裂纹。

在力的持续作用下，裂纹会越来越大，材料中能够传递应力部分越来越少，直至剩余部分不能继续传递负载时，金属构件就会全部毁坏。

材料力学是根据静力实验来确定材料的机械性能(比如弹性极限、屈服极限、强度极限)的，这些机械性能没有充分反映材料在交变应力作用下的特性。

因此，在交变载荷作用下工作的零件或结构，如果还是按静载荷去设计，在使用过程中往往就会发生突如其来的破坏。

疲劳破坏与传统的静力破坏有着许多明显的本质区别:
(1)静力破坏是一次最大载荷作用下的破坏:疲劳破坏是多次反复载荷作用下的破坏，它不是短期内发生的，而是要经历一定的时间，甚至很长时间才发生破坏。

(2)当静应力小于屈服极限或强度极限时，不会发生静力破坏;而交变应力在远小于静强度极限，甚至小于屈服极限的情况下，疲劳破坏就可能发生。

(3)静力破坏通常有明显的塑性变形产生:疲劳破坏通常没有外在宏观的显著塑性变形迹象，哪怕是塑性良好的金属也这样，就像脆性破坏一样，事先不易觉察出来，这就表明疲劳破坏具有更大的危险性。

实践证明，金属疲劳已经是十分普遍的现象。

据150多年来的统计，金属部件中有80%以上的损坏是由于疲劳而引起的。

其实，不仅仅是那些安全专家会遭遇到金属疲劳的问题。

在人们的日常生活中，也同样会发生金属疲劳带来危害的现象。

比如，炒菜时铝铲突然意外折断，导致油沫飞溅到脸上而出现烫伤；挖地时，铁锨突然断裂，可能令人摔一跟头。

为了说明金属也会疲劳，我们先来做一个小实验。

找一把铝合金汤匙，然后从汤匙柄的根部将汤匙微微弯曲数次，最后金属将因为过度疲劳而断裂，就像人过度疲劳会生病一样。

这个实验是很有名的，曾经有一些所谓的“气功大师”用这个实验来显示他们的“特异功能”，后来被媒体揭穿了，结果那是人人都能做的事情，只是需要一些遮人耳目的小技巧罢了。

另外，金属疲劳还会造成一些很重大的事故
2011年4月1日下午，美国西南航空公司一架波音737客机在5分钟内急降7600米，所幸飞机成功迫降，仅一名空乘人员受轻伤。

调查结果显示，这次事故是机身破损引起的，飞机中段过道上方机身有一个1.8米长的破洞。

安全专家表示，机身出现破洞是由金属疲劳现象引起的。

人过度疲劳后会导致个体的生病或死亡，而金属疲劳会造成更大的伤害，它可能导致某个人类群体的死亡！这绝不是危言耸听。

如果美国这次飞机破损现象处置不当，则很可能出现大的安全事故。

在历史上，一些金属大桥的断裂、房屋的倒塌、车祸、飞机失事，都是因金属疲劳而引发的重大事故。

正因为金属疲劳在生产和生活中存在着巨大的危害，在人们发现金属疲劳以来，一直致力于如何消除金属疲劳带来的危害。

例如：在金属材料中添加各种“维生素”是增强金属抗疲劳的有效办法。

例如，在钢铁和有色金属里，加进万分之几或千万分之几的稀土元素，就可以大大提高这些金属抗疲劳的本领，延长使用寿命。

随着科学技术的发展，现已出现“金属免疫疗法”新技术，通过事先引入的办法来增强金属的疲劳强度，以抵抗疲劳损坏。

此外，在金属构件上，应尽量减少薄弱环节，还可以用一些辅助性工艺增加表面光洁度，以免发生锈蚀。

对产生震动的机械设备要采取防震措施，以减少金属疲劳的可能性。

在必要的时候，要进行对金属内部结构的检测，对防止金属疲劳也很有好处。

但事物通常都会有两面性，金属疲劳在大型工程中确实存在着一定的危害，但是在我们的日常生活中，我们经常会利用金属的疲劳特性来进行一些人类活动。

例如当我们需要折断一根系铁丝而身边又没有钳子的情况下，我们通常会来回弯曲铁丝，最后，铁丝会在弯折处断开，这便是合理运用金属疲劳给我们带来的方便。

作为一个机械学子，在设计机械时，应尽量减少可能发生的金属疲劳事故。

比如，可以消除零件上的薄弱环节，减少开孔、挖槽、切口等，因为疲劳裂纹常常发生在这些地方；提高零件表面的光洁度，保护表面不受生锈腐蚀之害。

在设计中认真考虑金属疲劳，不仅是对自己的作品负责，更是对工程负责。

参考文献
1.百度百科-----------《金属疲劳》
2.新民晚报-------------《金属疲劳酿大祸》作者：晓阳2011年4月22日
3.材料力学课本。