1949年，英國著名的航空大師哈維蘭設(shè)計出了世界上第一種噴氣式民用客機——“彗星”號，這種客機首次使用了4臺大功率的噴氣發(fā)動機，采用了諸多先進的新材料和新技術(shù)。這是一款當(dāng)時最為先進的噴氣式客機，它可在10千米的高度飛行，時速高達800千米，換句話說，乘坐這架飛機從英國倫敦飛到意大利羅馬只需2個小時。因此，1952年，這種飛機一投入運營便立刻在全世界引起了轟動。然而好景不長，1953年5月，一架“彗星”號客機從印度加爾各答機場起飛后不久在半空中解體：次年1月，另一架“慧星”號在地中海上空爆炸；同年4月又一架“彗星”號在羅馬起飛后在空中爆炸……據(jù)統(tǒng)讓，從1953年5月至1954年4月，短短的11個月里，共有9架“彗星”號客機在空中解體；這9架飛機上的乘客無一生還，全部遇難。為了找到事故的原因，英國皇家航空研究院的工程師們進行了大量的調(diào)查取證，最終一致認定，“殺手”為機身、機翼等部位的疲勞破壞。

事實上，疲勞破壞導(dǎo)致的航空惡性事故并不只局限于“彗星”號。

1979年，一架美國的“DC-10”大型客機在芝加哥奧黑爾國際機場起飛不久就墜毀。

1985年8月，日航的一架5ALl23客機，由于后部壓力隔板的開裂而墜毀。

2002年5月，臺灣中華航空公司一架波音747客機在臺灣海峽貶空突然解體，造成225人遇難。

事后的調(diào)查結(jié)果顯示，上述的機毀人亡事故均是由飛機結(jié)構(gòu)的疲勞破壞引起的。

什么是疲勞破壞

人會生老病死，飛機也并不能無期限地供人們使用，它也像我們腳下的自行車，腕上的手表一樣，會因為疲勞損耗而走向“斷裂死亡”。試想，現(xiàn)在我們手中有一根鐵絲，若要把它一次性拉斷或者是折斷，對于一般人來說，往往是很難做到的。但是，如果我們把這根鐵絲反復(fù)彎曲，盡管用的力氣并不大，但彎曲若干次后鐵絲就會斷為兩截，這就是疲勞破壞現(xiàn)象。可見，疲勞破壞是指在反復(fù)載荷(也稱作“疲勞載荷”)作用下，結(jié)構(gòu)中裂紋形成、擴展乃至斷裂的過程。

疲勞載荷對結(jié)構(gòu)造成的損傷往往是一點一點累積的，結(jié)構(gòu)斷裂前通常沒有明顯的預(yù)兆，具有隱蔽性和突發(fā)性；而引起疲勞破壞的載荷往往較小，不足以使結(jié)構(gòu)一次性斷裂。不過，在結(jié)構(gòu)疲勞破壞發(fā)生后，其斷口上常會遺留“兇手作案”的痕跡，即斷口上可以清楚地觀察到疲勞裂紋的“發(fā)源地”、裂紋擴展時留下的一道道條紋，以及最后的突然斷裂區(qū)等部分。事實上，最后一點也是判定結(jié)構(gòu)疲勞破壞的重要依據(jù)之一。

在服役期間，飛機不斷重復(fù)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(jié)構(gòu)都承受著各種各樣反復(fù)作用的疲勞載荷。這些疲勞載荷主要包括：跑道上顛簸的地面滑行載荷；飛行中大氣紊流(亂流)引起的“突風(fēng)載荷”；飛機作仰俯、偏航以及側(cè)身等動作時的機動載荷；飛機著陸時的撞擊載荷：氣密座艙飛機艙內(nèi)增壓一卸壓的所謂“地—空—地”循環(huán)載荷。這些載荷通常都比較小，不足以使飛機結(jié)構(gòu)發(fā)生一次性斷裂，但它們?nèi)諒?fù)一日，年復(fù)一年地作用在飛機上， 飛機結(jié)構(gòu)中的疲勞損傷便會在不知不覺中累積。一旦這種疲勞損傷累積到一定程度，飛機的結(jié)構(gòu)就會開裂，從而發(fā)生破壞。

棘手的疲勞問題

疲勞研究是一門與材料和結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)的既古老又年輕的學(xué)科，自從“疲勞之父”維勒將疲勞納入科學(xué)研究范疇至今，疲勞研究一直方興未艾。到目前為止，材料疲勞的真正機理與對其的科學(xué)描述仍未得到很好的解決。

疲勞的研究最初是由德國工程師阿伯特于1837年前后完成的。這是人類首次公開發(fā)表的疲勞研究結(jié)果，他研究的對象為礦山升降機鏈條的疲勞破壞。

在疲勞研究方面，最有影響力的要數(shù)疲勞理論的奠基人維勒。在1852～1869年期間，他先后開創(chuàng)地測試了火車輪軸的疲勞載荷；得出了載荷變化幅度對疲勞壽命影響最大的結(jié)論；探討了有限疲勞壽命和無限疲勞壽命間的差別；提出了材料S-N曲線(一種用來描述低載荷、高壽命的材料疲勞性能曲線)的概念。

此后，以舒茲為代表的一批科學(xué)家在疲勞領(lǐng)域也作出了巨大貢獻。他們認識到能承受很高靜載荷的材料并不一定具有良好的疲勞性能；利用表面的殘余壓應(yīng)力可改善材料的抗疲勞性能；提出了疲勞累積損傷假設(shè)，解答了材料中“疲勞損傷是如何累積的”這一問題；開展了裂紋擴展試驗；提出了材料E-N曲線(與S-N曲線相對應(yīng)，是一種用來描述高載荷、低壽命的材料疲勞性能曲線)的概念，至此，疲勞理論的研究框架基本形成。

1954年，“彗星”號飛機失事，導(dǎo)致了全世界范圍內(nèi)進行包括飛機全尺寸疲勞試驗在內(nèi)的大規(guī)模研究和試驗計劃。從此，疲勞研究進入了人發(fā)展時期。

自從1837年阿伯特首次報道疲勞研究成果至今，疲勞問題的研究已有百年的歷史。在這100多年里，人們對材料疲勞破壞的認識不斷加深；在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，也常常引入這樣或那樣的抗疲勞設(shè)計準則，然而，疲勞破壞現(xiàn)象在工業(yè)界仍屢見不鮮，防不勝防。據(jù)資料統(tǒng)計，現(xiàn)今有80％以上的機械零件的失效為疲勞破壞。這種疲勞破壞發(fā)生的對象可能是我們的自行車的鏈條、汽車的底盤、車間的機床、橋的橫梁，也可能是飛機甚至飛船。

腐蝕——飛機疲勞破壞的幫兇

飛機是大面積暴露在大氣和氣候環(huán)境中的交通工具，大氣和氣候環(huán)境通常會給飛機的結(jié)構(gòu)帶來不同程度的腐蝕。這些大氣和氣候因素包括：海洋性氣候，即含有高濃度鹽霧的海平面；大氣污染，如酸雨等；雨、雪、霧天氣；高溫、高濕環(huán)境。此外，飛機跑道上的灰塵、積水，油箱內(nèi)微生物的滋生，海洋性食物與化學(xué)物品等運載貨物也會給飛機的相應(yīng)部位帶來一定的腐蝕問題。

腐蝕疲勞指金屬結(jié)構(gòu)受腐蝕介質(zhì)和疲勞載荷的聯(lián)合作用而引起的破壞現(xiàn)象。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，飛機結(jié)構(gòu)中有半數(shù)以上的破壞形式與腐蝕或腐蝕疲勞有關(guān)。

由于具有重量輕、強度好等優(yōu)越性能，高強度鋁合金已成為航空領(lǐng)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(huán)境往往會使鋁合金結(jié)構(gòu)的疲勞壽命大大縮短。筆者近年來的一項實驗表明，在2.5％的鹽水中，鋁合金材料的疲勞壽命會降低一半以上。

為什么腐蝕環(huán)境會加速鋁合金結(jié)構(gòu)疲勞裂紋的形成呢?目前普遍認為其機理包括以下4類中的至少一類：1．點腐蝕，即腐蝕介質(zhì)會在材料表面形成腐蝕坑，腐蝕坑可使疲勞裂紋提前形成。2．局部變形(包括局部變形導(dǎo)致鋁合金表面膜破裂)會使得結(jié)構(gòu)局部腐蝕電位降低，從而加速金屬的腐蝕。3．鋁與腐蝕介質(zhì)的電化學(xué)反應(yīng)釋放的氫使得材料變脆，即出現(xiàn)所謂的“氫脆”現(xiàn)象。4．環(huán)境介質(zhì)的吸附作用使材料表面能降低，材料的這種表面能下降使得材料疲勞裂紋的萌生更加容易。

不可忽視的聲疲勞破壞

飛機在使用過程中，發(fā)動機通常會發(fā)出130～160分貝的噪聲。這種高頻的噪聲不僅可使人們聽力下降，心情煩躁，而且嚴重時還會給處于聲場中的飛機結(jié)構(gòu)帶來破壞，即產(chǎn)生所謂的聲疲勞。事實上，現(xiàn)代飛機的噪聲源除了發(fā)動機外，還包括飛機的輔助動力裝置、航炮或火箭發(fā)射，以及機體附面層氣流起伏引起的飛行器結(jié)構(gòu)振動等，這些噪聲源以壓力波的形式帶動周圍的空氣振動，山近及遠，將聲波向四周傳播，當(dāng)聲波遇到飛機結(jié)構(gòu)時，便會在結(jié)構(gòu)上形成聲壓。

盡管聲疲勞引起的結(jié)構(gòu)破壞一股只發(fā)生在發(fā)動機等高噪聲源附近，具有一定的局限性，但從結(jié)構(gòu)安全角度來講，它仍是一個不容忽視的問題。事實上，聲疲勞同其他由于隨機載荷而產(chǎn)生的疲勞破壞沒有本質(zhì)上的區(qū)別。它同樣可以使飛機的薄板結(jié)構(gòu)因聲致振動而產(chǎn)生破壞；或引起鉚釘松動、斷裂、甚至飛掉；有時還會引起蒙皮撕裂。這些故障都會影響飛機結(jié)構(gòu)的完整性與安全性。為此，美國聯(lián)邦航空條例FAR－25部(運輸類飛機適航標準)專門對飛機的聲疲勞問題作了規(guī)定；美國軍用規(guī)范MIL-A-8893中也針對聲疲勞作了相應(yīng)的細則要求，并將其強制作為軍用飛機的設(shè)計和制造標準。

實踐表明，要提高飛機結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，須從材料、設(shè)計、工藝、維修等方面同時入手。

[責(zé)任編輯] 趙 菲