相信大家都听过“蝴蝶效应”这个词吧，常见的阐述是这样的：南美洲亚马逊热带雨林中的一只蝴蝶偶尔扇动了几下翅膀，两周后美国德克萨斯州迎来了一场龙卷风。

  蝴蝶与龙卷风

    后来拍的电影《蝴蝶效应》更是精彩，主角们多次回到过去企图改变未来，却没想到把世界弄得更糟了。这个词的寓意就在于看似极其不经意的小细节，经过不断放大，都可能引发很严重的后果。

    在航空领域，小小的裂纹又何以酿成机毁人亡的重大惨剧？那么今天就跟小编一起来了解一下疲劳破坏中暗含的蝴蝶效应。

    1.什么是疲劳破坏

    疲劳破坏是指材料、零构件在低于其强度极限的应力或应变循环往复作用下，在一处或几处逐渐产生局部永久性累计损伤，经过一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程，且在断裂之前没有明显的宏观塑性变形。

    比如说对于细铁丝，如果我们想用手将其直接拉断，那真是难于上青天，估计是吃了菠菜的大力水手才能办到；但如果我们反复弯折铁丝上的某一点，没一会儿铁丝轻松断了，这就是巧妙地利用了金属疲劳的效应。

弯折铁丝

    2.疲劳的特点

    1）疲劳为低应力循环延时断裂，即断裂的发生有一定的寿命，其断裂应力水平往往低于材料的抗拉强度甚至是屈服强度；

     疲劳强度随循环加载次数的增加而减小

    2）疲劳为脆性断裂，由于一般疲劳的应力水平比屈服强度低，所以不论是韧性材料还是脆性材料，在疲劳断裂前均不会发生塑性变形；

    疲劳断裂是脆性断裂

    3）疲劳对缺陷（例如缺口、裂纹及组织缺陷）十分敏感，由于疲劳破坏是从局部开始的，所以它对缺陷具有高度的选择性。

    各种金属缺陷的微观结构

    3.疲劳断裂的影响因素

    由于疲劳断裂一般是从零件表面应力集中处或材料缺陷处发生的，因此影响其疲劳强度的因素可基于此分为内因和外因。内因主要是指材料成分、组织结构和表面状况等，外因包括温度、介质、载荷及其加载方式等。

    其中，外因中最具推动作用的是外部交变载荷。一般把大小、方向周期性变化的应力叫做循环应力，相对地无规则变化的力叫做随机变动应力。

    循环应力与随机变动应力

    不同的交变载荷具有不同的疲劳效果。从断裂寿命来看，一般加载循环次数大于100000次的疲劳断裂叫做高周疲劳（也叫低应力疲劳）；加载循环次数处于100~100000次之间的叫做低周疲劳（也叫高应力疲劳）。通俗来说，前者好比是少食多餐，后者则是暴饮暴食。

    高周疲劳与低周疲劳示意

    应力应变回线反应循环加载的硬化和软化现象

    内因中，从材料成分入手，可以绘制出各种金属材料的疲劳曲线图。可以很明显地看到，金属疲劳曲线有两大类。

    一类是有水平线段的曲线，该水平线段代表了材料的疲劳极限，一般的结构钢及球墨铸铁等材料具有此类特性；另一类是无水平线段的曲线，表示材料没有疲劳极限，像有色金属、不锈钢和高强度钢等，意味着可以承受更多次的循环加载。

    两类金属疲劳曲线

    4.疲劳断裂的过程机理

    疲劳断裂包括疲劳裂纹萌生，裂纹亚稳扩展及最后失稳扩展三个阶段。材料整体的疲劳寿命是由疲劳裂纹萌生期和裂纹亚扩展期的时间累加而得到。

   疲劳断裂的前两个主要阶段

    其中，疲劳裂纹萌生本质上是由不均匀的局部滑移和显微开裂引起的，主要方式有表面滑移带的开裂，第二相、夹杂物或其晶界等处的开裂以及晶界或亚晶界处的开裂。

     晶界开裂

    裂纹亚稳扩展的形成机理是首先从个别侵入沟或挤出脊先形成微裂纹，再沿着最大切应力方向向内扩展；之后由于晶界的阻碍作用，裂纹沿着垂直拉应力方向扩展，直到最后形成剪切唇为止。

  
    剪切唇示意图

    5.疲劳破坏的危害

    在现代工业的各个领域中，大约有50%~90%的金属材料结构强度破坏都是由于疲劳破坏造成的，如轴、曲轴、连杆、弹簧、螺栓、压力容器、轮机叶片和焊接结构等。

    齿轮的疲劳破坏

      金属材料无论是塑性材料还是脆性材料，疲劳破坏都是突然发生的，事先没有明显的塑性变形和事故征兆；因此，这种破坏具有很大的危险性，严重威胁重大设备的正常运行和操作人员的生命。

    航空史上最著名的军用飞机疲劳破坏事件，当属1969年美国空军的F-111空中解体。1969年12月22日，编号第94号的F-111在基地上空进行武器抛投训练，在拉起飞行时，左翼掉落，飞机坠毁，两名飞行员当场丧生，飞机残骸中连接机身和左机翼的枢纽接头从中间断裂成两半。事后检查残骸发现，是枢纽接头下缘的半椭圆形疲劳初始裂纹瑕疵导致的。

    1979年5月25日，一架满载乘客的美国航空公司DC-10型三引擎巨型喷气客机，从芝加哥起飞不久，就失去了左边一具引擎，随即着火燃烧，然后爆炸坠地。机上273名乘客和机组人员无一幸免。事后的残骸检查中发现，这架飞机上一个连接引擎与机翼的螺栓因金属疲劳折断，从而导致了引擎燃烧爆炸。

      6.航空抗疲劳制造技术

    如前面所说，疲劳寿命受许多因素的影响，包括表面残余应力、表面微观组织、缺口效应、尺寸效应、表面效应、材料强度、硬度以及腐蚀环境等多种因素。因此，在航空制造技术中，提高其抗疲劳性能的方法无外乎针对这些要素对症下药，总的来说可以分为物理、化学、机械和高能束处理四个方面。

    1）物理方法

    物理方法通过提高材料表层的硬度和强度提升材料抗疲劳的性能，其特点是不改变表层化学成分，通过表层相变来提高零件的疲劳强度，在航空制造中，表面淬火是一种常用的方法。

     航空发动机外壳的表面淬火

    由于淬硬层中的马氏体组织很细，硬度和强度比一般整体淬火的高，因而具有较好的抗粘着磨损与疲劳磨损能力；同时马氏体的比容较大，使得淬硬层中存在较大的残余压应力。这种具有残余压应力的高硬度表面层能使工件的疲劳强度明显提升。

    2）化学方法

    化学方法是利用化学热处理技术通过改变表慢化学成分，并形成单相或多相的扩散层来大大提高材料表层的硬度，同时还可以建立很高的残余压应力，从而提高材料的疲劳性能。主要方法包括渗碳、渗氮、碳氮共渗、磷化和阳极氧化等工艺。近年来，离子渗碳、真空扩渗、渗硼和多元素共渗等新方法也得到了较大的发展。

    3）机械方法

    机械方法的突出特点是利用冷变形技术，使金属材料表面产生形变硬化层，并引入高残余压应力，因而能够减少疲劳应力作用下裂纹的形核并抑制裂纹的早期扩展，从而显著提高机械零件的抗疲劳断裂和抗应力腐蚀开裂的能力。主要工艺方法包括滚压、挤压、喷丸、干涉配合和抛光处理等。

    在航空制造中，孔的冷挤压强化工艺已广泛应用于航空工业发达国家的军机和民机，同时干涉孔配合工艺更是大大促进了其成功应用，使得抗疲劳效果更为显著。

    孔挤压强化处理的涡扇发动机

    4）高能束处理

    高能束处理技术是在材料局部表面施以高密度的能量，并使之发生物理、化学变化，达到显著提升抗疲劳能力的目的。目前正在研究和应用的技术有激光冲击、激光相变硬化、激光熔凝、激光合金化以及离子注入等。

    航空制造中很受欢迎的一种方法是激光相变硬化法。该种工艺不改变物质的状态，强化后材料表面仍很光滑，变形也很小；同时处理后的表层内应力为压应力，对材料的疲劳性能有很大的提高，有较大的技术经济效果。

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责任编辑：王元

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