疲劳破坏特点
航空发动机疲劳相关的基本概念与抗疲劳常用方法
2022-04-08
与航空发动机疲劳相关的基本概念
疲劳是指材料、零件和构件在循环载荷作用下，在某个点或某些点逐渐产生局部的永久性的性能变化，在一定循环次数后形成裂纹，并在载荷作用下继续扩展直到完全断裂的现象。最简单的例子就是拉不断的铁丝不断弯折就断了。
突然性：断裂时并无明显的宏观塑性变形，断裂前没有明显的预兆，而是突然地破坏； 低应力：疲劳破坏在循环应力的最大值，远低于材料的抗拉强度或屈服强度的情况下就可以发生； 重复载荷：疲劳破坏是多次重复载荷作用下产生的破坏，它是较长期的交变应力作用的结果，疲劳破坏往往要经历一定时间，与静载下的一次破坏不同； 缺陷敏感：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； 疲劳断口：疲劳破坏能清楚地显示出裂纹的发生、扩展和最后断裂三个组成部份。
图4 疲劳破坏典型断口图
影响疲劳强度的主要因素 影响疲劳强度的因素比较多，以下几类因素在航空发动机设计、制造中需要重点予以考虑。
应力集中：疲劳源总是出现在应力集中的地方，必须注意构件的细节设计以避免严重的应力集中，比如加大剖面突变处的圆角半径；
表面状态：疲劳裂纹常常从表面开始，所以表面状态对疲劳强度会有显著的影响，表面加工越粗糙，疲劳强度降低、越严重；
温度：一般随着温度的升高，疲劳强度会降低。
疲劳的分类 疲劳有不同的分类方法，以下几类分类方法在航空发动机中经常遇到。大家要了解，不同的定义对应不同的分类标准，比如高周疲劳和低周疲劳只是从失效周次进行了划分，与应力状态、载荷工况没有关系；再比如热疲劳，主要描述了构件的载荷情况，与高周、低周没有关系。
按失效周次：高周疲劳和低周疲劳
按应力状态：单轴疲劳和多轴疲劳
按载荷工况和工作环境：常规疲劳、高低温疲劳、热疲劳、热机械疲劳、腐蚀疲劳、接触疲劳、微动磨损疲劳和冲击疲劳。
航空发动机抗疲劳常用方法
我们了解疲劳相关的内容，最终目的是要预防或者减少航空发动机发生疲劳失效的情况，进行航空发动机的长寿命设计。如下这些措施常用于提高结构的疲劳强度：
结构优化设计 结构设计中尽量避免产生应力集中，对过渡圆角、螺栓孔等容易产生应力集中的部位进行优化，疲劳往往出现在这些应力集中部位。
图11 榫槽底部后圆角设计缺陷造成的高应力导致涡轮盘破裂
严格控制温度 疲劳强度一般随着温度的升高急剧下降，不能为了性能达标而一味地提高温度。
采用强化措施 采用各种表面强化处理、孔挤压强化等。
图12 正在进行表面强化的叶片（来源于网络）
图13 孔强化的航空发动机（来源：航空制造网）
提高零件加工质量 裂纹往往出现在材料缺陷或者加工缺陷位置，必须加强零部件加工制造工艺，严格控制关键位置的加工精度和加工质量，减少疲劳源，防止超差等质量问题引起的疲劳失效。 疲劳作为航空发动机破坏的主要因素之一，其预测、预防是航空发动机设计中重要环节，希望上述简要介绍有助于大家了解航空发动机中疲劳相关概念，了解航空发动机疲劳失效模式及其预测、预防。
