从千里之堤 溃于蚁穴说起

从千里之堤溃于蚁穴说起
摘要:在工程材料学中,金属的疲劳现象也蕴含着这样的道理。

本文对金属的疲劳破坏现象进行了简单的理论分析,并提出一些提高金属抗疲劳性的措施
关健词:金属疲劳疲劳破坏零件交变应力裂纹疲劳强度
1 疲劳的概念
千里之堤,溃于蚁穴”,是出自《韩非子·喻老》这句话深刻揭示了千里长堤虽然看似十分牢固,却会因为一个小小蚁穴而崩溃的道理。

金属疲劳是指材料、零构件在循环应力作用下.在一处或几处逐渐产生局部永久性累积损伤,经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程。

当材料和结构受到多次重复变化的载荷作用后,应力值虽然始终没有超过材料的强度极限,甚至比弹性极限还低的情况下就可能发生破坏,这种在交变载荷作用下材料和结构的破坏现象,就叫做金属的疲劳破坏。

2 疲劳的原理
机械零件在交变应力作用下,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。

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。

在交变应力的持续作用下,裂纹会越来越大,材料中能够传递应力的有效部分越来越少,直至剩余部分不能继续传递负载时,金属构件发生全部破坏。

3 疲劳破坏的特点
(1）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）引起疲劳断裂的应力很低,在远小于屈服强度的情况下就有可能发生。

例如反复弯折一根铁丝,很轻松的就能折断,就是典型的疲劳断裂的实例。

(3）疲劳破坏通常没有宏观的显著塑性变形,哪怕是塑性良好的金属也这样,就像脆性断裂一样,总是突然间断裂,事先很难察觉,因此疲劳破坏具有更大的危险性,常常造成严重的事故。

(4）疲劳破坏的断口有两部分构成:疲劳区和瞬断区疲劳区记载了裂缝扩展和闭合的过程,颜色发暗,表现有较清楚的疲劳纹理,呈沙滩状或波纹状；瞬断区真实反映了当构件截面因裂缝扩展削弱到一临界尺寸时脆性断裂的特点,瞬断区颜色发亮。

4 疲劳破坏的危害实例
早在100多年以前,人们就发现了金属疲劳给各个方面带来的损害。

但由于技术的落后,还不能查明疲劳破坏的原因。

直到显微镜和电子显微镜相继出现之后,人类才开始走向揭开金属疲劳秘密的道路并有了更深的认识。

疲劳破坏给人类社会带来了沉重的灾难,迫使人类从未停止过与疲劳破坏的斗争。

二战期间,英国空军战机在与德国的对抗中,相继坠落,机毁人亡。

调查的最终结论是坠落的战机无一例外地是由于疲劳现象引起,即飞机发动机内的零件出现疲劳断裂,进一步分析得知,这些零件之所以产生疲劳断裂,主要是由于制造这些零件的材料表面或内部有缺陷,如夹杂、划痕、夹角、软点、显微裂纹等。

1998年6月3日,德国一列高速列车在行驶中突然出轨,造成100多人死亡的严重后果。

事后经过调查,人们发现,造成事故的原因竟然是因为一节车厢的车轮内部疲劳断裂而引起,从而导致了这场近50年来德国最惨重铁路事故的发生。

近年来,由于疲劳破坏所引起的灾难也屡屡见诸报端,2002年台湾“华航”空难的原因也经证实是由于有多处机身出现金属疲劳导致飞机解体。

2011年4月6号,美国西南航空公司波音737飞机在正在飞行中突然发生爆炸,机顶被撕裂了一个破洞,幸好未造成人员伤亡。

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。

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。

机械行业中,发生疲劳破坏的零部件最常见的有锻造用水压机门
柱下端应力集中处,轧机闭式机架,运锭车机架,发动机内的曲轴,汽车半轴,运行中的叶轮机叶片,有些机械的联接螺栓,有内部缺陷的零部件等等。

从以上实例可以看出,在各类设备中都可能发生疲劳破坏,它的危害很严重,因此,研究疲劳破坏的规律,做到合理选用和节约材料,在给定载荷条件下,使所设计的设备不发生或少发生疲劳破坏,是当前机械设计中迫切需要解决的问题。

5 提高金属疲劳强度的措施
5.1 合理选择材料
一般来说,屈服强度越高,疲劳强度也越高,因此可尽量选择屈服强度高的材料,对同一材料来说,细晶粒组织比粗晶粒组织具有更好的疲劳强度。

同时,为了减缓疲劳裂纹的扩展速度,延迟最终的断裂,材料应具有足够的塑性和韧性。

材料的强度和韧性要达到最好的匹配。

5.2 合理设计构件的外形
尽可能降低零件上的应力集中的影响,是提高零件疲劳强度的首要措施。

零件结构形状和尺寸的突变是应力集中的结构根源。

因此,为了降低应力集中,应尽量减少零件结构形状和尺寸的突变或使其变化尽可能地平滑和均匀。

为此,要尽可能地增大过渡处的圆角半径；
同一零件上相邻截面处的刚性变化应尽可能地小等等。

在不可避免地要产生较大应力集中的结构处,可采用减荷槽来降低应力集中的作用。

5.3 提高零件的表面加工质量
如将处在应力较高区域的零件表面加工得较为光洁；对于工作在腐蚀性介质中的零件规定适当的表面保护等。

尽可能地减少或消除零件表面可能发生的初始裂纹,对于延长零件的疲劳寿命有着比提高材料性能更为显著的作用。

因此,对于重要的零件,在设计图纸上应规定出严格的检验方法及要求。

在使用中也应尽量避免使构件表面受到机械损伤(如划伤、打印等）或化学损伤(如腐蚀、生锈等）。

5.4 提高零件的表面强度
常用的方法有表面热处理和表面机械强化两种,表面热处理通常采用渗碳、氰化、氮化,高频淬火等措施,以提高构件表层材料的抗疲劳强度能力。

表面机械强化通常采用对构件表面进行滚压、喷丸等,使构件表面形成预压应力层,以降低最容易形成疲劳裂纹的拉应力,从而提高表层强度。

6 发展趋势
由于飞机、船舶、汽车、及各种机械设备等的主要零部件,大多
是在交变载荷的作用下工作,疲劳现象就不可避免的存在,疲劳破坏无疑成为最大的安全隐患,其普遍性的存在及后果的严重性都在告诫我们分析疲劳破坏的原因,最终找到更完善的提高疲劳强度的措施,减少或避免疲劳破坏的发生,对于机械行业的人员来说,这是一个任重而道远的使命。

参考文献
[1]徐濒．概率疲劳．沈阳:东北大学出版社,1994.
[2]陈健元．机械可靠性设计．北京:机械工业出版社．1988.
[3]徐濒．疲劳强度．北京:高等教育出版社,1990.。