金属疲劳知识及案例

金属材料在原料加工过程中容易带来气孔、分层和杂质等原始缺陷，在后期的实际应用中，极易产生疲劳损伤。如果不能及时发现并定位疲劳损伤结构，将使得损伤累积扩展进而引发材料结构发生断裂，造成难以估量的损失。先来看一些案例。

1、2004年日本美浜核电站事故

美浜核电站座落于东京西部大约320公里的福井县，1976年投入运营，1991年至2003年曾发生过几次与核有关的小事故。2004年8月9日，涡轮所在建筑内连接3号反应堆的水管在工人们准备进行例行安全检查时突然爆裂。虽然并未导致核泄漏，但蒸汽爆发还是导致5名工人死亡，数十人受伤。2006年，美浜核电站又发生火灾，导致两名工人死亡，事故原因主要是蒸汽发生器内细管的金属疲劳。

2、1998年德国ICE城际列车脱轨事件

1998年6月3日，由慕尼黑开往汉保的德国ICE884次高速列车在运行至距汉诺威东北方向附近的小镇埃舍德时，发生了第二次世界大战后德国最为惨重的列车脱轨行车事故。该列车由两辆机车和12辆拖车组成，事故发生后，12辆拖车全部脱轨。造成100人死亡，88人重伤。

经过调查小组的不懈努力，发现导致事故的是一只发生疲劳断裂的车轮钢圈，火车车轮在转动时会承受极大的重量而略微收缩，以支撑沉重的车体，这种反复的收缩导致了车轮钢圈的疲劳，然而当时并未引起工程师的重视，这才导致了这次悲剧。

3、日本航空123号班机空难事件

1985年8月12日，飞机编号为JA8119的波音747-100SR型班机搭载509名乘客及15名机组员，从日本东京的羽田机场起飞，预定飞往大阪伊丹机场。在御巢鹰山区附近的高天原山(距离东京约100公里)处坠毁，520人罹难。

日本官方的航空与铁道事故调查委员会经过调查后，做出三点结论，其中一点指出“该飞机曾损伤机尾，受损后波音公司没有妥善修补，正常需要二排铆钉，但维修人员只是将损伤的部分补了排铆钉，所以增加了接合点附近金属蒙皮所承受的剪力，使该处累积了金属疲劳的现象”。

细看这些事故，其中都出现了“金属疲劳”这个词的身影，那么，金属疲劳到底是怎么回事?

金属“疲劳”一词，最早是由德国科学家沃勒发现的，19世纪50年代，沃勒就发现了表现金属疲劳特性的曲线，并提出了疲劳极限的概念。

为了说明金属材料疲劳的概念，我们取一枚曲别针，把它用手指头掰直。不用任何工具，你试用手指把它拉断，试试看，即使你使尽最大的力气，不行吧。可是你只要把它来回弯曲几次，曲别针便会轻易地弄断。

这个现象说明，金属材料在恒定的力作用下比起变化的力作用下有较大的强度。在变化大小的力作用下，虽然这些力远没有达到平常恒力作用下使材料破坏的程度，材料却破坏了。这种现象就称为金属的疲劳破坏。

第一次工业革命后，随着蒸汽机等装备的相继发明，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。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，人们逐步了解疲劳问题的本质，并看到了战胜金属疲劳的曙光。

对金属构件疲劳问题的最初理解始于19世纪。

起初人们很难理解，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。

两年以后，也就是1839年，Jean-Victor Poncelet，球磨机(mill wheels)铸铁轴的设计者，首次使用了疲劳(fatigue)这个专业词汇。

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

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。

1860-1870年间，August Wöler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Wöler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。

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。

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，金属疲劳还是无法避免，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。

科学研究表明，金属疲劳可以预先检测出来。

日本的科学家发明了一种掺入钛酸铅粉末的特殊涂料，在敲击金属时，金属表面的涂料薄膜中会有电流通过，且电流的大小和金属的疲劳程度有关，通过测量这股电流，便可知道金属究竟有多“累”。

此外，超声波、红外线、射线等都能对金属进行体检。近年来，通过各种检测手段避免了很多因金属疲劳而可能发生的事故。比如利用X射线衍射法，就可检测出由于应力集中诱发的金属疲劳。在零构件成型服役前，甚至在制造过程中，通过检测手段发现应力集中现象，并采取措施均化应力，能有效杜绝疲劳破坏。

除了常规检测手段，金属材料疲劳试验也可以通过模拟结构或部件的实际工作状况，在试验室内测定材料的疲劳寿命设计曲线。一些常用试验方法通常包括单点疲劳试验法、升降法、高频振动试验法、超声疲劳试验法、红外热像技术疲劳试验方法等。

100多年来，人们从未停止对金属疲劳的研究，其中最让人关注的，是如何对现代化工业设备采取预防和保护措施，防患于未然。比如，选择具有较高抗疲劳性能的材料，防止应力集中，合理布局结构，提高构件表面加工质量和采用一些新技术和新工艺等。

中国科学院院士，著名金属材料学家周惠久先生在他所著的《金属材料强度学》一书中曾提到：“据统计，在各类零件的失效中，大约有80%是由于疲劳破坏所引起的。”由此可见金属疲劳强大的破坏力。而抗击金属疲劳这条路，道阻且长，吾辈还需继续努力。