小結(jié)
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嘉峪檢測網(wǎng) 2018-08-08 18:11
金屬材料在恒定的力作用下比起變化的力作用下有較大的強度。在變化大小的力作用下，雖然這些力遠沒有達到平常恒力作用下使材料破壞的程度，材料卻破壞了。這種現(xiàn)象就稱為金屬的疲勞破壞。
金屬材料的疲勞斷裂現(xiàn)象，是隨著近代工業(yè)的興起被逐漸發(fā)現(xiàn)的。人類所建造的結(jié)構(gòu)，在古代大多是承受靜止的恒力結(jié)構(gòu)，如房屋建筑，橋梁結(jié)構(gòu)等。橋梁雖然也承受變動荷載，但古代的橋梁材料的自重比起過橋的動載荷要大許多，仍然可以近似看作承受恒力的結(jié)構(gòu)。近代工業(yè)興起后情況大不一樣，首先由于金屬材料的廣泛采用，結(jié)構(gòu)的自重大為減小，外載的變化表現(xiàn)得較為突出；其次是由于機械工業(yè)的興起，轉(zhuǎn)動的機器、行進的車船，其載荷大量表現(xiàn)為變動的載荷，引起的材料內(nèi)部的應力絕大多數(shù)可以看為交變應力。于是由于疲勞斷裂的事故屢屢發(fā)生，逐漸引起了人們的注意和研究。
所以可以說，金屬疲勞是從近代工程中產(chǎn)生和發(fā)現(xiàn)的力學現(xiàn)象。它的發(fā)現(xiàn)是和工業(yè)中的事故相聯(lián)系的，是以慘痛的事故為代價獲得的知識。據(jù)估計，迄今與機械工程有關(guān)的事故大約有90%是和金屬的疲勞有關(guān)，可以想見這類問題的重要性。
我們知道，英國和德國是現(xiàn)代工業(yè)興起比較早的國家，所以對于金屬疲勞早期的研究，也是他們比較早。為了回顧人類對金屬疲勞認識過程，我們來介紹早期關(guān)注這類問題的四位學者。他們都是杰出的工程師，分別是德國的阿耳伯特和沃勒，英國的蘭金和菲爾貝恩。
阿耳伯特
最早實際報導金屬疲勞現(xiàn)象的是德國的一位礦業(yè)管理者阿耳伯特（Wilhelm August Julius Albert，1787 –1846）。他是1803年進入哥廷根大學學習法律的，早年便對音樂表現(xiàn)出特別的天賦。他1806年對礦業(yè)產(chǎn)生興趣，直到1836年被任命為哈茲礦區(qū)的總負責人。
1829年，他注意到礦井提升機的鐵鏈的破壞。礦井提升機的鐵鏈，是提升時受拉力，停止提升時，又不受力，經(jīng)常處于載荷變化狀態(tài)。他發(fā)現(xiàn)經(jīng)過若干次載荷重復之后，鐵鏈會斷裂。他不僅報導了這一現(xiàn)象，并且建造了一架試驗機專門用于試驗重復載荷下的鐵鏈強度。他發(fā)現(xiàn)，鐵鏈的斷裂并不是由于事故時超過了允許載荷，而是和事故發(fā)生時循環(huán)載荷重復了多少次有關(guān)。他的這些研究論文（ÜberTreibseile am Harz）發(fā)表于1837年。
阿耳伯特對礦山的另一貢獻是他發(fā)明了鋼絲繩，被后人稱為阿爾伯特繩，于1834年首次用于礦山。這種鋼絲繩，就是現(xiàn)今鋼絲繩的最早的形式。
蘭金
蘭金（William John Macquorn Rankine，1820-1872）出生于蘇格蘭一個從事法律與銀行業(yè)的家庭。從1834年起，他在軍事與海軍學院學習數(shù)學。1836年轉(zhuǎn)入愛丁堡大學學習物理和自然哲學。早年在J.B.麥克尼爾指導下成為工程師，1855年起擔任格拉斯哥大學土木工程和機械系主任。1853年被選為英國皇家學會會員。
蘭金最重要的貢獻是他系統(tǒng)地發(fā)展了蒸汽機或者說一般的熱機的理論，在1849年，他發(fā)現(xiàn)了飽和蒸汽壓與溫度的關(guān)系，他利用這一理論建立了對于有潛熱液體的氣體的溫度壓力和密度的關(guān)系，由此他準確解釋了飽和蒸汽的表觀比熱為負值的奇怪現(xiàn)象。其后蘭金進一步把這些結(jié)果應用于能量守恒定律的更為廣義的表述，繼承和發(fā)揚了托馬斯楊關(guān)于能量的概念。利用熱力學理論，他給出了在氣體激波傳播時激波前后物理量的關(guān)系，這種關(guān)系后人也稱為蘭金－于戈尼奧條件（Rankine–Hugoniot condition）。
蘭金是最早關(guān)注金屬疲勞問題的學者之一。在1842年5月8日（星期日）下午5:30由凡爾賽公園（Gardensof Versailles）返回巴黎的一列載有770位乘客的火車發(fā)生嚴重事故，數(shù)百人受傷，死亡人數(shù)估計在52到200之間。事故是首先由于車頭的一根軸斷裂引起列車出軌造成的。蘭金注意到車軸斷裂開始于脆性裂紋的增長，并且最早對由于疲勞引起軸斷裂進行了系統(tǒng)的研究，他發(fā)現(xiàn)裂紋是從車軸的頸部應力集中的地方逐漸擴展造成的。
蘭金關(guān)于軸斷裂的論文（On the cause of the unexpected breakage of the journals of railwayaxles，and on the means of preventing such accident byobserving the law of continuity in their construction）是1842年發(fā)表的。他在論文中說：“裂紋的出現(xiàn)是從一個光滑的、形狀規(guī)則的、細小的裂縫開始，在軸頸周圍逐漸擴大，其穿入深度的平均值達到半?yún)?。它們好像是從表面逐漸朝向中心穿入，直到中心處的好鐵不夠支持所經(jīng)受的震動為止。”
蘭金在土力學、擋土墻和邊坡穩(wěn)定方面、在造船與結(jié)構(gòu)力學方面都有重要的研究工作。他主編的《應用力學手冊》（1858）是一部在工程界影響深遠的參考書。
蘭金的才能是多方面的，他是一位有相當水平的業(yè)余歌唱家，鋼琴彈得很好，還善于大提琴演奏，此外還寫過不少詩歌。蘭金終身未娶。
最早使用金屬疲勞（fatigue ofmetal）這一術(shù)語的是英國人F. Braithwaite，他在1854年發(fā)表的論文題目是ON THE FATIGUE AND CONSEQUENT FRACTURE OF METALS。論文描述了大量啤酒設(shè)備、螺旋槳、曲軸、杠桿、鐵路用的軸等零部件的疲勞斷裂例子。
菲爾貝恩
菲爾貝恩（Sir William Fairbairn，1789 –1874）是一位出生于蘇格蘭的土木工程師、結(jié)構(gòu)工程師，還是一位造船家。
菲爾貝恩生當火車、輪船發(fā)明后飛速發(fā)展的時代，又是鋼鐵作為新型結(jié)構(gòu)材料大量使用的時代。適應時代的要求，他做出了巨大的貢獻。他組織生產(chǎn)火車機車，并且研究改進了鍋爐；他組織生產(chǎn)最早的一批內(nèi)河機動輪船，和最早的一批以鍛鐵為主要結(jié)構(gòu)材料的輪船。他參加建設(shè)英國第一條鐵路，并且設(shè)計以矩形管狀結(jié)構(gòu)的鐵材橋梁，并且在橋梁建設(shè)中使用超靜定梁。為此他研究鍛造鐵材和鋼材的強度、試驗方法和加工技術(shù)，并且有專著出版。
為了檢驗鋼鐵材料的強度，特別是板材的強度，菲爾貝恩設(shè)計并建造了巨型的試驗裝置。如圖，H處是被試的試件，加載是靠一根巨大的杠桿實現(xiàn)。后來，這種試驗裝置在梁的加載端采用旋轉(zhuǎn)的凸輪施加交變荷載以進行疲勞試驗。
在火車行駛的早期，經(jīng)常有鍋爐爆炸的事故。這是由于鍋爐時而有高汽壓，時而放汽后處于低汽壓所引起的材料疲勞。菲爾貝恩接受國會的委托進行鍋爐強度的研究，根據(jù)前人研究的結(jié)果，一般認為，把交變應力的最大值，設(shè)計為靜止條件下強度的三分之一就是比較安全的。菲爾貝恩經(jīng)過自己的試驗，為安全起見，建議交變條件下的鍋爐應力應當取靜強度的四分之一，則鍛造鐵的對交變應力能夠耐受3000000次循環(huán)仍然是安全的。
菲爾貝恩的研究關(guān)于鍛鐵強度和疲勞的研究，不僅保證了機車的安全運行，而且保證了鋼鐵橋梁的安全。他為此申報了多項專利。
沃勒
沃勒（August Wöhler，1819 –1914）是德國工程師。他以對金屬疲勞問題的系統(tǒng)研究而著名。他出生于德國的漢諾威省，大學畢業(yè)后得到一個到鐵路機車廠和鐵道建筑工程實習的機會。1843年又獲得到比利時進修機車制造工程?；貒笕螡h諾威鐵路機械廠廠長。1847年又調(diào)任另一機車車輛和機械廠廠長，為此在法蘭克福待了23年，在那里進行了許多重要的研究工作，特別是關(guān)于金屬疲勞問題的研究。
沃勒最早的研究主要是為了防止機車輪軸的斷裂。他首先設(shè)計了一種安裝在運行機車車軸上的裝置，能夠記錄機車運行中車軸的變形，根據(jù)變形的撓度又能夠計算出運行中車軸中的應力。其次，他設(shè)計和建造了對軸進行疲勞強度試驗機。
沃勒的疲勞試驗機
圓中ab在支承cd之間以每分鐘15轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)。ef和kl兩軸插入轉(zhuǎn)子內(nèi)，借彈簧力將它們彎曲，彈簧力是借軸套e和l傳遞到軸上的。
為了節(jié)約時間和材料，沃勒采用小試件進行了大量的試驗。他研究指出，交變應力的最大最小相差的幅度與疲勞周期的關(guān)系，比起只考慮最大應力要重要得多。并且引進了持久極限的概念，亦即能夠持久循環(huán)不斷裂的最大應力。他還建議設(shè)計時無論是靜態(tài)還是動態(tài)情形，都應當取安全系數(shù)為2。
他最后得到強度應力和應力循環(huán)次數(shù)的關(guān)系的一條曲線或稱（S-N曲線）。這就是后人所稱的沃勒曲線。下圖是一種鋁合金的S-N曲線。圖對于全面了一種解材料在循環(huán)荷載作用下的行為能夠起到重要的作用。后來人們發(fā)現(xiàn)，這條曲線不僅和材料的種類有關(guān)，還與試驗的溫度、材料是不是受腐蝕以及表面光滑程度有關(guān)。
沃勒在管理機車生產(chǎn)過程中，根據(jù)他的研究的結(jié)果制定了十分嚴格的設(shè)計規(guī)范和對材料檢驗的嚴格要求。
小結(jié)
我們這里介紹了四位杰出的工程師，他們對金屬疲勞現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)與最早的研究，其實即使在他們同時代也還有一些別的研究者研究這一問題。這說明隨著金屬材料在機械工程和結(jié)構(gòu)工程中大量應用，所出現(xiàn)的問題是大量的、眾所矚目的，也是尖銳的。
其次，我們這里介紹的關(guān)于金屬疲勞的研究，僅僅是這一復雜問題的開始。他們的研究雖然減少了一批事故，不過由于新材料和新的運行環(huán)境，還是有新的事故和新的挑戰(zhàn)。迄今，材料的疲勞問題也不能說是完全解決了，還是不斷提出新的問題需要研究解決。
19世紀所遇到的機車車軸斷裂和鍋爐爆炸問題，它們的交變應力大致是能夠測量和估算出來的。后來我們遇到飛機、輪船的受力問題，由于飛機所遇到的突風和輪船遇到的波浪所產(chǎn)生的載荷是隨機的，在這種條件下的交變應力的幅度也是隨機變化的，所以仍然有事故不斷發(fā)生。
1954年1月10日，英國一架彗星客機由羅馬飛往倫敦，突然爆炸解體。機上29名乘客和6名機組人員全部遇難。彗星客機自1949年產(chǎn)出第一架起共生產(chǎn)了114架，其中有13架發(fā)生事故而損壞，先后有6次爆炸事故，累計造成超過百人殉難，大部分是由于材料的疲勞斷裂而引起的。于是英國撤銷了該型飛機的民航服務，彗星客機于1964年停產(chǎn)。
2007年11月2日，美國空軍一架F-15戰(zhàn)斗機在執(zhí)行訓練任務時，作7.2g機動飛行，發(fā)生機頭折斷，飛行員跳傘成功，造成同型號飛機停飛待查。經(jīng)調(diào)查宣稱：此次事故是由于飛機折斷處的一根有缺陷的金屬縱梁斷裂所致，這對其他飛機無大礙。
在第二次世界大戰(zhàn)期間，美國的5000艘貨船共發(fā)生1000多次破壞事故，有238艘完全報廢，其中大部分要歸咎于金屬的疲勞。
我們舉這些例子，無非是說明，金屬疲勞問題，盡管有一百多年的研究，可是它仍然是現(xiàn)代工程技術(shù)最尖銳的問題之一。凡是一種新結(jié)構(gòu)材料出臺并大力應用之前，必須對它進行強度和疲勞方面的研究。疲勞研究已經(jīng)形成一個龐大的研究領(lǐng)域，無論從研究隊伍的規(guī)模上、投入的研究經(jīng)費上，還是從需要研究問題的復雜程度上，都不是一般課題所能夠相比的。這些研究，不僅要求通過實驗獲得進行強度設(shè)計的可靠數(shù)據(jù)，還要求對疲勞斷裂發(fā)生的機理進行探討。因之疲勞研究和新興的斷裂力學聯(lián)合交叉，在研究方法上又和統(tǒng)計物理和隨機過程理論密切相關(guān)，疲勞問題需要多學科聯(lián)合研究。
來源：武際可科學網(wǎng)博客
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