1、12疲勞破壞疲勞破壞 材料在連續反復荷載作用下，其應力雖然沒有達到抗拉強度，甚至還低于屈服強度時，也可能發生突然破壞，這種現象稱為疲勞破壞 在疲勞破壞之前，沒有明顯的變形，是一種突然發生的脆性斷裂，所以疲勞破壞屬于反復荷載作用下的脆性破壞。 疲勞破壞是經過長時間的發展過程才出現的，其破壞過程可分為三個階段：裂紋的形成、裂紋緩慢擴展、最后迅速斷裂而破壞。疲勞破壞首先是由于機件內部結構不均勻和應力分布不均勻所引起的。應力集中可以使個別晶粒很快出現塑性變形及硬化，從而大大降低機件的疲勞強度。對于承受連續反復荷載的結構，設計時必須考慮疲勞問題。3波音波音747的疲勞開裂的疲勞開裂 事件回顧 2002年

2、5月25日，中華航空611號班機為一架波音747-209B型客機，由桃園國際機場前往香港國際機場途中，因金屬疲勞導致飛機在澎湖外海10640米高空解體墜毀。206名乘客及19名機組員無人生還。45原因追溯原因追溯 1980年2月7日，該航機在香港啟德機場曾因重落地損傷到機尾蒙皮。 損傷到機尾后，華航僅用一塊面積與受損蒙皮相若的鋁板覆蓋該處（根據波音的維修指引，新蒙皮的面積須較受損的大最少30%），并沒有依波音所訂的維修指引把整塊蒙皮更換，造成該地方累積了金屬疲勞的現象。22年來，維修人員沒有察覺任何異常。 該處裂開后，造成空中失壓解體。根據事故后回收的機身殘骸，該處裂痕至少長達約2.3米，而研

3、究顯示在高空中飛機上的裂痕超過約1.5米時就會有結構崩毀的可能。6飛機金屬疲勞與交變載荷飛機金屬疲勞與交變載荷在服役期間，飛機不斷重復著起飛、飛行與降落這一過程，而在每次起飛、飛行與降落過程中，飛機的結構都承受著各種各樣反復作用的疲勞載荷。這些疲勞載荷主要包括：1 跑道上顛簸的地面滑行載荷；2 飛中大氣紊流(亂流)引起的“突風載荷”；3 飛機作仰俯、偏航以及側身等動作時的機動載荷；4 飛機著陸時的撞擊載荷；5 氣密座艙內增壓一卸壓的所謂“地空地”循環載荷 這些載荷通常都比較小，不足以使飛機結構發生一次性斷裂，但它們日復一日，年復一年地作用在飛機上， 飛機結構中的疲勞損傷便會在不知不覺中累積。一

4、旦這種疲勞損傷累積到一定程度，飛機的結構就會開裂，從而發生破壞，并最終誘發空中解體。7 臺灣“飛航安全委員會”于2005年2月25日正式發布華航CI611班機澎湖空難事故調查報告：根據加強補片上所發現的環狀磨擦痕跡、斷裂面上的規則亮紋及鍍鋁層擠壓變形現象，相信該機于解體前，機身上存在一個至少71寸、長度足以造成機身結構失效的連續裂紋。大部分的疲勞裂紋生長的起源點為1980年2月7日事故航機在香港發生機尾觸地事件造成的刮痕處。 8飛機金屬疲勞與腐蝕疲勞飛機金屬疲勞與腐蝕疲勞 統計數據表明，飛機結構中有半數以上的破壞形式與腐蝕或腐蝕疲勞有關。 由于具有重量輕、強度好等優越性能,高強度鋁合金已成為航

5、空領域中使用最為廣泛的金屬材料。然而從目前對高強度鋁合金腐蝕疲勞的研究成果來看，鋁合金對腐蝕引起的破壞是敏感的，腐蝕環境往往會使鋁合金結構的疲勞壽命大大縮短。9例例2:摩托車發動機連桿斷裂原因分析摩托車發動機連桿斷裂原因分析 廣東某摩托車廠一輛摩托車在運行了2000km后發生機械故障，經拆機檢查，發現發動機曲軸連桿斷裂。 據悉該連桿材料為20CrMnTi，表面經過滲碳處理。 連桿工作原理見圖1，連桿的往返運動帶動兩傳動曲軸轉動。101宏觀檢查宏觀檢查失效連桿件有兩個斷口在連桿斷裂端的軸承弧面可見許多與斷口平行的裂紋圖圖(a)(a)； 斷裂端一側面存在強烈磨擦痕跡圖(b)，磨損深度達0.5mm；

6、 軸承弧面靠近磨擦側面一端可見藍灰色的高溫氧化痕跡圖(c) 。 斷口1(圖a左邊的斷口)較為光滑平整，斷口邊緣已磨損，中部可見疲勞弧線圖(d)； 斷口2(圖a右邊的斷口)未見疲勞弧線。斷口斷口111 2掃描電鏡分析掃描電鏡分析 斷口1在掃描電鏡下顯示疲勞弧線圖(a)；根據弧線的走向可以找到疲勞源，疲勞源在圖(d)左下方拐角處，局部放大，源區的細微組織大部分已磨損，但能看到放射棱特征圖(b)；在疲勞擴展區可見疲勞條紋及二次裂紋圖(c)；斷口2未見疲勞條紋，只有韌窩，可見斷口1是最先開始斷裂的斷口，而斷口2是二次斷口。疲勞源疲勞源12 3化學成分化學成分 在連桿身部位取樣，進行化學成分(質量分數，

7、%)分析，結果符合GB/T3077-1999 20CrMnTi的化學成分要求 13 4 結果分析結果分析 綜合上述檢驗結果，失效件材料化學成份符合技術條件要求。 連桿斷裂端一側面出現非正常嚴重磨擦現象，軸承弧面靠近磨擦面一端出現的藍灰色的氧化膜，是黑色氧化鐵(Fe3O4)及紅色氧化鐵(Fe2O3)的混合體，其形成溫度在400以上。表明該連桿與一輸出軸之間的磨擦導致該區域溫度過熱。 斷口掃描電鏡分析表明斷口疲勞裂紋源在氧化膜附近的拐角處，正處于高溫區域。表面氧化會使裂紋產生的機會增加，同時高溫提高了蠕變損傷的可能性。另一方面磨擦導致金屬表面粗糙，容易形成表面應力集中，增大疲勞源產生的可能性。14

8、 斷裂起源往往發生在拉應力最大的層面上。從連桿運動受力情況分析，斷口1的斷面所受的拉應力最大，容易在此斷面靠近磨擦面的拐角處形成裂紋源。同時由于該區域存在較粗大的塊狀碳化物，破壞了基體組織的連續性，加速了裂紋的形成和擴展，降低了疲勞強度，最終導致了疲勞斷裂。 連桿滲碳表面的碳化物過大與滲碳工藝不當有關。粗大的塊狀碳化物主要是由于碳濃度過高造成的，特別容易在工件尖角處形成，導致零件壽命顯著下降。因此在滲碳過程中應注意嚴格控制滲碳氣氛的碳勢，以免過高的碳勢引起工件表面形成粗大的碳化物。15 5結論結論 曲軸連桿斷裂屬疲勞斷裂，引起斷裂的原因是在使用時連桿受到劇烈磨擦，導致局部區域應力集中及溫度過高，降低了材料的疲勞強度。連桿拐角處表面的較大塊狀碳化物加速了裂紋的萌發及擴展。166 改進改進 設計時減少摩擦處的粗糙度，可以減少應力集中，降低零件的疲勞強度 。同時減少摩擦帶來的高溫，減少了蠕變