1疲勞的基本概念

 

1.1 疲勞破壞的特征

 

1

 

在交變的工作應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的強(qiáng)度極限，甚至比屈服極限還小的情況下，破壞就可以發(fā)生。

 

2

 

疲勞破壞是一個累積損傷的過程，要經(jīng)過一定的時間歷程在交變應(yīng)力多次循環(huán)之后才突然發(fā)生。

 

3

 

疲勞破壞時沒有明顯的塑性變形。即使塑性較好的材料，破壞時也像脆性材料那樣，只有很小的塑性變形。因此，疲勞破壞事前不易察覺。

 

4

 

疲勞破壞的斷口有明顯的特征，總是呈現(xiàn)兩個不同的區(qū)域，一個是比較光滑的區(qū)域，叫做疲勞區(qū)，內(nèi)有弧形線條，叫做疲勞線；另一個是比較糙的區(qū)域，叫做瞬時斷裂區(qū)。此區(qū)域內(nèi)沒有疲勞線。

 

1.2 疲勞破壞的原因

 

     內(nèi)因：構(gòu)件外形尺寸的突變或材料內(nèi)部有缺陷

 

     外因：構(gòu)件要承受有交變載荷(或交變應(yīng)力)

 

     在交變應(yīng)力長期作用下，在構(gòu)件外形突變處，或材料有缺陷處出現(xiàn)應(yīng)力集中，逐步形成了非常細(xì)微的裂紋(即疲勞源)，在裂紋尖端產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中，促使裂紋逐漸擴(kuò)展，構(gòu)件截面不斷削弱。當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定程度，在偶然的超載沖擊下，構(gòu)件就會沿削弱了的截面發(fā)生突然斷裂。

 

2飛機(jī)結(jié)構(gòu)承受的交變載荷

 

2.1 飛機(jī)結(jié)構(gòu)承受的疲勞載荷

 

01機(jī)動載荷

 

它是由于飛機(jī)在機(jī)動飛行中，過載的大小和方向不斷改變而使飛機(jī)承受的氣動交變載荷。機(jī)動載荷用飛機(jī)過載的大小和次數(shù)來表示。

 

02突風(fēng)載荷

 

它是由于飛機(jī)在不穩(wěn)定氣流中飛行時，受到不同方向和不同強(qiáng)度的突風(fēng)作用而使飛機(jī)承受的氣動交變載荷。

 

03地-空-地循環(huán)載荷

 

飛機(jī)在地面停放或在地面滑行時，機(jī)翼在本身重量和設(shè)備重量作用下，承受向下的彎矩，但飛機(jī)離地起飛后，機(jī)翼在升力作用下，承受向上的彎矩。這種起落一次交變一次的載荷，稱為地-空-地循環(huán)載荷。這是一種時間長、幅值大的載荷。

 

04著陸撞擊載荷

 

它是由于飛機(jī)著陸接地后，起落架的彈性引起飛機(jī)顛簸加到飛機(jī)上的重復(fù)載荷。

 

05地面滑行載荷

 

它是由于飛機(jī)在地面滑行時因跑道不平引起顛簸，或由于剎車、轉(zhuǎn)彎、牽引等地面操縱而加到飛機(jī)上的重復(fù)載荷。

 

06座艙增壓載荷

 

這是由于座艙增壓和卸壓，而加給座艙周圍構(gòu)件的重復(fù)載荷。

 

     在以上幾種疲勞載荷中，對殲擊機(jī)影響最大的是機(jī)動載荷、著陸撞擊載荷和地面滑行載荷。

 

2.2 交變應(yīng)力

 

     在上述交變載荷作用下，構(gòu)件內(nèi)部的應(yīng)力也將是周期性變化的“交變應(yīng)力”。

 

     當(dāng)交變應(yīng)力規(guī)則地變化時，可以用正弦波形表示應(yīng)力隨時間變化的情況。由圖1可見，交變應(yīng)力在兩個極值之間作用周期性的變化。這兩個極值中大的一個叫做“最大應(yīng)力”，小的一個叫做“最小應(yīng)力”。

 

 

圖1 交變應(yīng)力

 

     交變應(yīng)力每作一個周期性變化，叫做“應(yīng)力循環(huán)”。為了說明交變應(yīng)力的變化規(guī)律，通常用最小應(yīng)力和最大應(yīng)力的比值來表示，即：這個比值叫“循環(huán)特征”(或“應(yīng)力比”)。

 

     在每一個循環(huán)中，當(dāng)最大應(yīng)力和最小應(yīng)力相等而符號相反時，這樣一種應(yīng)力循環(huán)叫“對稱循環(huán)”。當(dāng)應(yīng)力變化是時有時無，即從零到最大值，又從最大值至零，這種最小值為零的應(yīng)力叫做“脈動循環(huán)”。當(dāng)循環(huán)特征為任意數(shù)值時，此種應(yīng)力循環(huán)屬“非對稱循環(huán)”。

 

 

圖2 對稱循環(huán)

 

 

圖3 脈動循環(huán)

 

 

圖4 疲勞極限的測定

 

3材料的疲勞極限和曲線

 

     材料在一定循環(huán)特征下，可以承受無限次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生破壞的最大應(yīng)力，叫做材料的疲勞極限。

 

     每一種材料的疲勞極限必須通過試驗來測定。下面以對稱循環(huán)旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞極限的測定方法為例作簡單介紹。

 

 

圖5 鋼的σ-N曲線

 

 

圖6 鋁合金的σ-N曲線

 

     對于鋼材，當(dāng)循環(huán)次數(shù)N越大時，曲線逐漸趨于水平，即有一條水平漸近線。水平漸近線所對應(yīng)的縱坐標(biāo)，就是對稱循環(huán)的疲勞極限。

 

 

圖7 σ-N曲線的三個范圍

 

 

圖8 損傷尺寸與載荷循環(huán)數(shù)的關(guān)系

 

4影響飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的因素

 

     根據(jù)部隊和工廠維修實踐，影響飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的因素主要有以下四個方面：

 

應(yīng)力集中的影響

 

大量破壞事例證明：應(yīng)力集中是影響飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的主要因素，疲勞源總是出現(xiàn)在應(yīng)力集中的部位。如開孔、開槽、倒角、螺紋等處容易出現(xiàn)疲勞裂紋。

 

表面加工質(zhì)量的影響

 

大量的破壞事例也證明：表面加工質(zhì)量不高，也是影響飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的重要因素。

 

裝配效應(yīng)的影響

 

使用經(jīng)驗和疲勞試驗表明，各種裝配效應(yīng)對結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度影響很大。

 

使用環(huán)境的影響

 

1.腐蝕疲勞

 

金屬受到腐蝕，將產(chǎn)生“腐蝕疲勞”，使疲勞強(qiáng)度降低，因為腐蝕使金屬表面產(chǎn)生無數(shù)的小應(yīng)力集中點，促使疲勞裂紋的形成。

 

2. 擦傷疲勞

 

當(dāng)兩個相互接觸的固體表面具有微小的相對運動時，表面會受到損傷，這就會引起“擦傷疲勞”(或稱“擦傷腐蝕”)。

 

3. 高溫疲勞

 

其和低溫疲勞溫度對結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度也有影響。

 

4. 熱疲勞

 

構(gòu)件在交變的熱應(yīng)力作用下引起的破壞稱為“熱疲勞”。這種熱應(yīng)力主要來自兩方面，①由溫度分布不均所引起的;②限制金屬自由膨脹或收縮所引起的。熱疲勞破壞常常表現(xiàn)為金屬表面細(xì)微裂紋網(wǎng)絡(luò)的形成，叫做“龜裂”。

 

5. 聲疲勞

 

在聲環(huán)境下工作的構(gòu)件，因為受到噪音的激勵而產(chǎn)生振動，由這種強(qiáng)迫振動引起的破壞，稱為“聲疲勞”或“噪音疲勞”。

 

5提高飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的措施

 

     目前飛機(jī)設(shè)計制造，在結(jié)構(gòu)布局、材料選擇和工藝方法等方面，都采取了許多措施來提高飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度。這里僅就與使用維護(hù)有關(guān)的方面作一介紹。

 

5.1 減緩局部應(yīng)力

 

     由于應(yīng)力集中是影響疲勞強(qiáng)度的主要因素。因此，減緩局部應(yīng)力是提高構(gòu)件疲勞強(qiáng)度的一項重要措施。在維護(hù)使用中減緩局部應(yīng)力的方法，主要是增大圓角半徑和打止裂孔。

 

增大圓角半徑

 

     減緩局部應(yīng)力的一般原則是：防止截面有急劇的變化，當(dāng)這種變化不可避免時，應(yīng)保證這種變化有足夠的圓角半徑。

 

 

圖9 殲6飛機(jī)前起落架輪叉接耳根部圓角的改進(jìn)

 

 

圖10 止裂孔降低了應(yīng)力增長

 

     殲6飛機(jī)前起落架輪叉在接耳根部易產(chǎn)生裂紋，就是由于接耳根部的圓角半徑過小(只有)，且接耳根部外緣的圓弧過渡區(qū)過小或根本未加工出來，形成尖角造成的。針對這一情況，部隊采用了銼修和打磨的方法，工廠將接耳根部圓角半徑加大到并使根部外緣有一定寬度的圓弧過渡面(圖)，從而排除了這一故障。

 

打止裂孔

 

     當(dāng)構(gòu)件上已出現(xiàn)疲勞裂紋之后，為了減緩裂紋尖端的局部應(yīng)力，較有效的辦法是打止裂孔。由疲勞破壞的特征可知，疲勞破壞有一個過程，也就是說，在達(dá)到破壞之前，裂紋是緩慢擴(kuò)展的。打止裂孔的目的就是制止裂紋緩慢擴(kuò)展。

 

     打止裂孔之所以能減緩裂紋尖端的局部應(yīng)力制止裂紋緩慢擴(kuò)展，主要是因為孔增大了裂紋尖端的曲率半徑，降低了應(yīng)力集中程度。

 

5.2 提高表面質(zhì)量

 

     由于表面粗糙是引起應(yīng)力集中的因素，因此提高構(gòu)件表面光潔度，也是提高構(gòu)件疲勞強(qiáng)度的重要措施。

 

消除構(gòu)件上由于加工而殘留的刀痕

 

削除的方法是：用銼刀、砂布進(jìn)行打磨，但嚴(yán)禁用砂輪打磨，并注意打磨方向，防止造成新的周向刀痕。打磨處的光潔度不應(yīng)低于一定數(shù)值，并應(yīng)均勻光滑過渡。這個措施對于預(yù)防承力構(gòu)件裂紋有明顯作用。

 

應(yīng)盡力防止構(gòu)件表面人為地造成傷痕

 

過去有不少人認(rèn)為，碰傷、劃傷一點，只能觸及飛機(jī)結(jié)構(gòu)的一點毛皮，不會影響飛機(jī)壽命。這種認(rèn)識是片面的。

 

提高表面材料強(qiáng)度，能使抗疲勞能力增加

 

常用的方法是滲碳、滲氮、氰化、高頻電表面淬火、滾壓、噴丸和擠壓強(qiáng)化等。這些方法使材料表面組織變化，強(qiáng)度增加，因而疲勞強(qiáng)度增加。

 

對承受交變載荷的連接件，在裝配時施加短

 

梁的預(yù)應(yīng)力，也可以提高連接件的疲勞強(qiáng)度。