金属也会疲劳？这些工业知识你知道吗？

金属也会疲劳？这些工业知识你知道吗？ 原创 电气自动化应用 2019-05-26 20:10:00
美国东部时间2018年4月17日早上10：43，美国西南航空1380号班机从纽约拉瓜迪亚机场（LGA）起飞，开往达拉斯。然而，恐怕整架飞机上的5名工作人员与143名乘客都不会预料到，仅仅20分钟后，他们将在万米高空上经历一场生死惊魂。
在距离纽约不到250公里的宾夕法尼亚州Hershey镇上空，西南航空1380的左发动机爆炸了。由爆炸产生的残骸打穿了发动机罩并打碎了机舱的一扇窗户。由于机舱迅速失压，坐在这扇窗户旁边的一位女乘客被“推”往机外，尽管多名乘客出手相救，她最终没有被吸出机舱，但是她最终还是因为受伤太重在医院死亡，另还有7名乘客因伤住院。
这场空难在美国民航业里造成了一场大地震。要知道，在过去数年里，美国民航的安全记录几乎完美，离上一次导致乘客死亡的空难已有9年之久。由发动机碎片导致乘客死亡的空难更是十分罕见的。

图：本次事故的西南航空1380号班机爆炸的发动机

当美国国家运输安全委员会（NTSB）的调查人员赶到现场时，他们立刻发现其左侧发动机的24片扇叶中少了一片。
“这片扇叶在叶毂处直接断掉了，而经过初步检查，我们发现扇叶分离处有金属疲劳的痕迹”，NTSB委员长Robert Sumwalk说道。


金属疲劳指的是由于重复使用而导致金属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。金属疲劳可能发生在涡轮扇叶发动机的扇叶片上，飞机上的铝皮上，以及任何其他金属部件上。
而惊人的是，这次空难并不是西南航空首次发生发动机故障引起的事故。2016年8月，西南航空的同一型号飞机（波音737-700）的同一型号发动机（CFM56-7B）同样在巡航高度产生发动机爆炸，将发动机罩前部炸飞。从乘客拍摄的照片来看，这两起空难中发动机的惨样相似度惊人。
所幸与这次不同的是，虽然2年前那场空难也产生了机舱失压，但那是由于左翼上方的机身上被打穿了一个大洞，并没有任何残骸射入机舱，因此没有发生人员伤亡。但是，那场事故直接导致该发动机的制造商和监管机构联手要求各航空公司对这款发动机风扇叶片进行超声波检测，找出可能存在的金属疲劳。

图：2016年8月同样在万米高空产生发动机爆炸的西南航空3472号班机，左图机翼上方红圈内为机身被

其实金属疲劳导致事故的案例可以追溯很久：


第一次工业革命后，蒸汽机车等装备和设备相继发明出来，但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。就这样，人们渐渐认识到了疲劳的破坏力，但最初人们对这一现象并不理解，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。
人们对金属构件疲劳问题的最初理解始于19世纪。在第一次工业革命期间，重型卡车、汽车、轮船等机械设备的关键构件经常在循环载荷下断裂失效。起始人们很难理解，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。


在第二次世界大战期间，发生了一些严重的事故直接刺激了这个问题的研究和攻克。战争期间需要大规模，快速的制造船舰。这些船舰框架是焊接起来的而不是采用传统的铆接。
在大西洋的海水中，这些船在冷水中很快就发生了开裂事故。事实上，一些船直接裂成了几部分，海浪的冲击导致了疲劳裂纹的萌生，然后这些裂纹在寒冷的环境中快速扩展导致了灾难性的后果。
当温度降至零下以后，会显著降低焊缝和基体金属的塑性，因此会使之变脆。因为脆性材料的断裂能远少于塑性材料，这会导致它们内部的临界裂纹尺寸的减小，断裂发生在室温条件下看起来很安全的载荷条件下。
人们在那时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，使人类在揭开金属疲劳秘密的道路上不断取得新的成果。
金属疲劳是指一种在交变应力作用下，金属材料发生破坏的现象。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。
许多机械零件和工程构件，是承受交变载荷工作的。金属材料在受到交变应力或重复循环应力时会产生微裂纹，经一定循环次数后，裂纹扩展到临界点，导致定制合成金属材料在工作应力小于屈服强度的情况下发生突然断裂，这种现象称为金属疲劳断裂。但其实这种现象不限于固体金属，许多固体材料也都有这种现象发生，例如塑胶、碳纤维、陶瓷、玻璃等等。


金属材料疲劳断裂的特点是：
⑴载荷应力是交变的；
⑵载荷的作用时间较长；
⑶断裂是瞬时发生的；
⑷无论是塑性材料还是脆性材料，在疲劳断裂区都是脆性的。
所以，疲劳断裂是工程上最常见、最危险的断裂形式。


金属材料的疲劳现象，按条件不同可分为下列几种：
⑴高周疲劳：指在低应力(工作应力低于材料的屈服极限，甚至低于弹性极限)条件下，应力循环周数在100000以上的疲劳。它是最常见的一种疲劳破坏。高周疲劳一般简称为疲劳。
⑵低周疲劳：指在高应力(工作应力接近材料的屈服极限)或高应变条件下，应力循环周数在10000~100000以下的疲劳。由于交变的塑性应变在这种疲劳破坏中起主要作用，因而，也称为塑性疲劳或应变疲劳。
⑶热疲劳：指由于温度变化所产生的热应力的反复作用，所造成的疲劳破坏。
⑷腐蚀疲劳：指机器部件在交变载荷和腐蚀介质(如酸、碱、海水、活性气体等)的共同作用下，所产生的疲劳破坏。
⑸接触疲劳：这是指机器零件的接触表面，在接触应力的反复作用下，出现麻点剥落或表面压碎剥落，从而造成机件失效破坏。


如今的汽车、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这些设计在设计寿命范围内的安全。
为增强金属抗疲劳的性能，人们会通过往金属里加入稀土元素或是进一步改进金属的微观结构。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。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。不过，这些方法只能改善性能却并不能解决根本问题。
随着人们对机械设备更高、更快、更苛刻的功能要求，其疲劳还是无法避免。我们常常形容一个人有钢铁般的意志。这说明在人们心中钢铁很强，但如果它“累”了，它也会碎掉，带来的破坏是致命的和灾难性的。
金属疲劳所产生的裂纹会带来灾难。然而，也有另外的妙用。现在，利用金属疲劳断裂特性制造的应力断料机已经诞生。可以对各种性能的金属和非金属在某一切口产生疲劳断裂进行加工。这个过程只需要1-2秒钟的时间，而且，越是难以切削的材料，越容易通过这种加工来满足需要。

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小弟默默的路过贵宝地~~~

英雄所见略同，我们去论坛聊天室见，

楼主的病历本丢我这里了！