什么是金属疲劳？

金属疲劳是指机械、车辆或飞机的金属部件在小于实际破坏材料所需的应力的反复作用下产生缓慢弱化状态，并最终在比达到疲劳极限弱得多的应力下发生损坏断裂的一个过程。

金属疲劳在金属故障中表现的既微妙又危险。金属疲劳经常被人忽视，金属疲劳会在没有预警的情况下导致灾难性的故障，被发现时为时已晚。金属疲劳这个术语在19世纪时就出现了，直到1954年英国彗星喷气式客机压力舱的故障事件发生后，金属疲劳才受到工程师们的广泛关注。

金属疲劳会由过度的拉伸载荷、剪切载荷和冲击载荷引起。为了了解和防止金属疲劳，我们必须首先了解，何为金属的应力。物体由于外因（受力、湿度、温度场变化、制造过程或材料本身造成的缺陷因素，腐蚀、零件旋转、磨损或结构设计等因素等）而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力，单位面积上的内力称为应力。

应力可以以不同的方式产生。例如，将一根金属丝进行弯曲，在弯曲的金属丝的外半径上会产生拉应力。同时，在弯曲的金属丝的内半径处会产生压应力。反复重复弯曲金属丝，让金属丝经过一定的负载周期后，应力的集中会导致微裂缝的出现。微裂纹往往在应力集中的边缘或周围形成，由于微裂缝很小，可能很少或根本没有金属疲劳可见的预示。

随着应力继续产生，这些微裂纹继续受到循环加载的应力，导致它们的开裂尺寸增加，裂缝就会扩大。扩大的微裂缝达到足够大的应力时会导致裂纹快速扩展，结果可能会导致不可预测的金属疲劳从而最终导致金属失效。产生这些微裂纹所需的应力实际上可能小于金属的极限抗拉强度和抗压缩强度。

再例如，一根钢丝可能被用来悬挂小于使钢丝断裂所需的重量的物体。换句话说就是，这个物体的重量远小于这根钢丝的抗拉强度。然而，随着时间的推移，这个物体的重量可能会慢慢导致钢丝的钢体内部出现缺陷。这些缺陷可能以划痕、缺口、颗粒形成或其他异常的形式出现。

这些缺陷可能导致钢丝实际发生断裂，即使钢丝的抗拉强度从未被物体的重力超过。导致这些缺陷的原因主要是因为内部应力，在钢丝持续拉伸的状态下，内部的应力持续变大，应力或应变越大，金属疲劳发生得越快，以至于持续变大的应力超过了该钢丝材料的疲劳极限或疲劳强度。

金属疲劳可以表现为不同形式的疲劳：第一种形式是金属热疲劳。这种类型的金属疲劳是由外界环境的温度变化引起的。比如往一口烧红的铁锅里迅速倒入大量的冰块，可能会出现铁锅破裂的情况，这种热胀冷缩的现象也可以理解为金属热疲劳失效。喷气式发动机叶片旋转会跟高温压缩气体接触，时间久了也会有金属热疲劳现象。汽车的刹车片在制动时由于摩擦产生热量，热量会对刹车片产生金属热疲劳。

第二种形式是金属振动疲劳。金属振动疲劳是由于设备在超出标准操作的情况下极限运行时，内部应力增大导致裂缝和振动损伤。比如带有旋转螺旋桨的飞机或带有喷气发动机涡轮风扇的飞机在飞行时，螺旋桨叶片或喷气式发动机叶片在旋转时会切割空气，从而叶片会与空气产生振动，叶片旋转超出标准情况下，发动机叶片就会出现振动疲劳，严重的话会造成飞机坠毁。另外，风振的桥梁、汽车悬架和五金冲压等设备都会有金属振动疲劳的隐患。

第三种形式是金属腐蚀疲劳。通常是由于腐蚀环境对金属的破坏。腐蚀环境起初会引起裂纹，从而导致机械损伤和疲劳。例如，一块金属浸没在盐水溶液中，可能比在空气中测试的同一种金属更早表现出金属疲劳。同样，经过氧化的金属比没有经过氧化的金属更容易出现金属疲劳。喷气式发动机叶片在经过云层时，会接触酸碱度不等的空气或水汽，这也会造成金属腐蚀疲劳。

理论上，导致金属疲劳的应力通常低于该金属材料的极限抗拉强度，许多金属材料的疲劳极限往往是该金属材料本身抗拉强度的四分之一到四分之三左右。为了减少金属裂纹的产生，防止金属疲劳加剧，可以选择高疲劳强度和抗疲劳性的高性能金属材料，不同的材料具有不同的疲劳强度。

例如，钢通常比铝能承受更大的应力循环。另一种方法是，对金属表面进行激光处理、抛光处理或涂层处理，避免金属表面出现尖角或缺口，都可以帮助减缓裂纹和金属疲劳的影响。