金属的力学性能-疲劳强度（航空材料）

在工作中受到反复改变大小或同时改变大小和方向的“交变载荷”。零件在交变载荷作用下，虽然其应力比材料的抗拉强度小，甚至比屈服强度还小，但是在长期使用的某一时刻也会发生突然断裂，这种现象称为疲劳断裂。疲劳的定义1.交变载荷和交变应力

交变载荷：载荷大小和方向随时间做周期性或不规则改变交变应力：在交变载荷作用下，结构件承受的应力为交变应力应力循环：应力从某一数值开始，经过变化又回到这一数值的应力变化过程最大/小应力σmax/σmin：在一个应力循环中代数值最大/小的应力平均应力σm=(σmax+σmin)/2应力幅σa=(σmax-σmin)/2应力比R=σmin/σmax交变应力分为三种：R=-1对称循环；R=0脉动循环R为任意值非对称循环图1交变载荷示意图案例1：1954年1月10日，英国海外航空公司的彗星1号客机从意大利罗马飞往英国伦敦，起飞后不到半小时，机身突然在空中破碎，从9000米高空坠入地中海，机上所有乘客和机组人员全部遇难；5月2日，该公司的另一架彗星飞机从印度加尔各答机场起飞后坠毁，机上42人全部罹难；5月8日，彗星号再度发生空难，那架彗星式客机原本计划由罗马前往埃及开罗，但在起飞后失去联络，事后在意大利南方海岸发现飞机残骸和遇难乘客遗体。这次事故震惊了全世界，英国的航空专家由此成立专门的调查组调查事故，结论是：彗星式飞机在飞行中由于金属部件发生裂痕而造成了解体事故。产生这种裂痕的原因就是金属疲劳；彗星号客机悲剧是世界航空史上首次发生的因金属疲劳而导致飞机失事的事件，从此在飞机设计中将结构疲劳极限正式列入强度规范加以要求。

案例2：2002年5月25日下午，台湾中华航空公司一架飞往香港的B747客机在起飞后约半小时与机场失去联系，下落不明。机上共有207名乘客和19名机组成员；事故调查原因：该客机在接近巡航高度时，因机身后段底部结构失效而发生空中解体。失事原因是金属疲劳断裂，金属疲劳裂纹竟源自1980年2月7日飞机起飞时擦地产生的刮痕，后来飞机在维修时，刮痕并未刨光即补上补丁，金属疲劳裂纹就沿着刮痕产生。

1948年美国“马丁202”运输机在正常航行中突然坠毁1952年美国“F-86”歼击机在空中爆炸1959年，F-111战斗轰炸机在俯冲拉起时一个机翼突然折断1979年，一架DC-10型客机在起飞后不久坠毁一连串的飞机事故引起世界各国、特别是航空工业部门的极大关注和震惊。经过事故分析和调查，发现这些事故都是由于疲劳破坏造成的。疲劳断裂：零件在交变载荷作用下，虽然其应力比材料的抗拉强度小，甚至比屈服强度还小，但是在长期使用的某一时刻也会发生突然断裂，这种现象称为疲劳断裂。疲劳断裂的特征图2疲劳断裂断口照片疲劳源：零件在一定特征的交变载荷作用下，首先在零件的薄弱环节，如应力集中或缺陷（划伤、夹渣、显微裂纹等）处产生微裂纹疲劳扩展区（光亮区）：随着交变载荷循环次数的增加，疲劳源裂纹不断开合，同时裂纹逐步扇形扩展粗糙区：当扩展区达到一定的临界尺寸时，构件剩余截面面积较小，在交变载荷的某次拉伸力的作用下，材料应力超过抗拉强度，这时零件会发生突然的脆性断裂，最后脆断的区域称为瞬间断裂区，由于这一区域断口表面比较粗糙，所以也叫粗糙区疲劳断裂的特征：1）在金属构件的交变应力远小于材料的极限强度的情况下，破坏就可能发生2）疲劳破坏在宏观上无明显塑性变形，具有很大危险性3）疲劳破坏是一个损伤累积的过程，要经过一个时间历程，由三个阶段组成4）疲劳破坏常具有局部性质，并不牵涉到整个结构的所有材料疲劳强度通过疲劳试验获得疲劳曲线：在不同交变载荷的作用下，测定其发生断裂时的载荷循环次数N，将试验结果绘成应力与次数的关系曲线疲劳强度的测定图3疲劳曲线示意图试验应力降低，循环次数N增加。当应力降至某一数值时，曲线变成水平直线，即表示材料若承受低于该水平线所对应的应力值时，便可以经受无限次循环载荷也不发生疲劳断裂疲劳强度：试样承受无限次应力循环仍不断裂时的最大应力对于航空领域常用的硬铝、镁合金等有色金属及其合金材料，即使应力循环的最大应力值很低，经一定应力循环次数后也会断裂，不存在真正意义上的疲劳极限对于这一类材料，取在某一规定应力循环次数下，材料所能承受的最大应力值作为名义疲劳极限对于黑色金属一般选107周次对于有色金属、不锈钢选108周次1、在设计方面，合理设计构件的形状