航空制造之道#2.3 飞机装配结构失效（1）疲劳的概念——从美联航宣布停飞777谈起

本公号发文，如果每天研究其中一篇，然后通过连续数十天的努力完成，那么可能就是高周疲劳；如果你每天都把十篇都实践一遍，连续十几天，就是低周疲劳。——大白老师

最近波音777刷屏了，但是原因不不光彩，也很无奈。

波音777客机是由美国波音公司制造的目前全球最大的双发动机宽体客机，777-200是777系列中的第一个机型。

——航空知识公众号，《美联航宣布停飞777，三起发动机爆炸事故根源在何处？》。

该飞机1995年9月交付，是波音制造的第五架波音777，机龄26.3年。该飞机的2个发动机系普惠公司的PW4000发动机。同日，欧洲中部时间2月20日下午，一架同样加装了普惠4000发动机的长尾航空波音747货机计划从荷兰马斯特里赫特亚琛机场飞往美国纽约肯尼迪国际机场。起飞不久，一个发动机爆炸起火，涡轮叶片脱落，飞机紧急在比利时列日机场平安降落。2020年12月，日本同型号飞机、同型（普惠4000型）发动机的同类型事故。

美国国家运输安全委员会主席罗伯特·萨姆沃特22日宣布，初步评估显示，此前出现发动机故障的美国联合航空公司波音777-200客机的发动机风扇叶片受损与金属疲劳有关。

——航空知识公众号，《777引擎爆炸事故初步结论出炉，因金属疲劳引发的空难有哪些？》

看到这些，我们发现，其实出问题的是普惠的发动机，波音这回是正经的背锅侠！

当然，作为吃瓜专业群众，我倒也没同情波音的意思，只要是想说，这里：

引入了一个重要的概念——疲劳。

一个结构，比如飞机零部件往往会承受重复载荷的作用，产生的循环应力可能导致应力远低于材料强度时，就发生失效，这种现象就是疲劳！

我们生活中，喜欢用来举例的现象就是“弯断铁丝”。

疲劳分高周疲劳和低周疲劳，高周疲劳是结构在作用的应力水平较低的循环应力下，进行大量的循环次数（10000~100000次以上）后发生失效的情况，常见的零件如弹簧、传动轴等零件或构件的疲劳即属此类。高周疲劳又称为应力疲劳，一般采用基于应力的方法进行分析。

联想到前面说的，出事的飞机，机龄都26年左右，因此，可以认为这个叶片的疲劳，多半是高周疲劳。

低周疲劳是结构在作用的应力水平较高的循环应力（在接近或超过其屈服强度的循环应力）下，进行较少的循环次数（在10000~100000次以下，一般100~10000次）后发生失效的情况。低周疲劳又称为应变疲劳，一般采用基于应变的方法进行分析。如压力容器、飞机起落架零件等的疲劳。

（图片来源：http://www.725tes.com/article-220html）

说到这，大家可能明白了，弯铁丝属于低周疲劳。

事情还没有那么简单，一般低周疲劳也需要100次，而弯铁丝经常十几次就断了，这里面有着更复杂的机理，弯折就是一个不停的变形，产生位错的过程。反复弯曲的塑性变形，变形的温度远远低于再结晶温度，不会发生动态再结晶来消除产生的位错。所以你越掰越硬。将引起钢丝内部索氏体组织片层间距进一步减小、位错密度增高，既发生加工硬化现象，实际的强度升高但“脆化”。随之产生裂纹，裂纹不断扩展最终导致钢丝断裂。

也就是弯铁丝算不算疲劳其实都不好说……，我的水平有限，所以也解释不清楚，……

不但要研究每一个大系统的物质运动形式的特殊的矛盾性及其所规定的本质，而且要研究每一个物质运动形式在其发展长途中的每一个过程的特殊的矛盾及其本质。一切运动形式的每一个实在的非臆造的发展过程内，都是不同质的。我们的研究工作必须着重这一点，而且必须从这一点开始。不同质的矛盾，只有用不同质的方法才能解决。——毛泽东《矛盾论》

明白了疲劳的概念，那么第二个问题来了，疲劳过程分几个阶段呢？

一般来说，疲劳分为疲劳起始阶段和裂纹扩展阶段。

怎么区分呢？

先从微观的角度说，疲劳裂纹核是由滑移带中不可见微裂纹形成的。有迹象表明，如果施加的循环应力高于疲劳极限，会几乎立即出现微裂纹的形核。但微裂纹在疲劳总寿命中大部分时间是不可见的，一旦裂纹可见，剩余疲劳寿命通常只是总寿命的很小一部分。（疲劳极限是指不会发生疲劳破坏的最高循坏应力水平，换句话说，当受到应力低于疲劳应力，再多的循坏都不会发生破坏）

也就是其实出现可见裂纹，就可以近似认为疲劳寿命到了，更换或维修零件即可。早期设计确实是这样的，但是特别对于一些低周疲劳，比如飞机起落架，船舶结构，出现可见裂纹之后的剩余寿命，其实占比大得多，因此就需要考虑裂纹扩展阶段的寿命了。

出现裂纹还在用？挺瘆人的啊！所以早期（上世纪五六十年代）中国工程师，看到飞机起落架出现裂纹，马上报告，发现外国工程师拿尺子量了一下裂纹长度，然后说没事，接着用。当时都觉得很不可思议，现在大家都知道了，就是考虑了裂纹扩展阶段的寿命。

关于裂纹的扩展问题，我们下回分解。

曾子曰：“吾日三省吾身——为人谋而不忠乎？与朋友交而不信乎？传不习乎？”——《论语·学而》

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