又是金属疲劳！聊一聊美国波音777引擎故障“元凶”的那些事儿
导读：2021年2月发生的波音777客机发动机起火及碎片掉落事故，原因之一是金属疲劳。
2021年2月，美国联合航空公司从丹佛飞往夏威夷的一架波音777客机在起飞不久后，机上的普惠发动机着火且有零件开始掉落，随即折返丹佛。幸运的是，这起事件没有造成人员伤亡。经过调查，美国国家运输安全委员会表示，出现故障的波音777客机的引擎风扇叶片受损与金属疲劳有关。
资料图：当地时间2月21日，在科罗拉多州丹佛市郊外的布鲁姆菲尔德附近的居民区，发现从美国联合航空公司飞机引擎上掉落的碎片。
在航空领域，金属疲劳导致的事故并不罕见
早在1954年，英国海外航空781号班机由一架彗星型客机执行由罗马至伦敦的飞行，行至地中海上空时，飞机突然爆炸解体，机上29名乘客及6名机组人员无一生还。据调查，发生事故的彗星型客机存在严重设计问题，当飞机长期处于高空、高速环境下，机内外气压不平衡，会导致金属疲劳，最终从机顶天窗的铆钉处爆裂。
这是民航历史上首次发生因金属疲劳导致的空难事件。事故最终导致彗星型客机退出市场，而顶替它的，正是波音公司的707客机。
但波音客机同样也没能摆脱金属疲劳的阴影。1985年8月，执飞日本航空123号航班的波音747飞机发生空难，造成超过500人遇难，这是世界航空史上最严重的空难之一。事后调查发现，该飞机在失事7年前发生机尾擦地，波音人员在机体受损部位的维修方法错误，导致事发时尾端机体因金属疲劳而爆开、连带损毁尾翼与液压系统，最终飞机失控，迫降不及坠毁。
可以看出，对于飞行安全来说，金属疲劳带来的威胁是致命的。
那么，什么是金属疲劳？
所谓金属疲劳，是指一种在交变应力作用下，金属材料发生破坏的现象。机械零件在交变压力作用下，经过一段时间后，在局部高应力区形成微小裂纹，再由微小裂纹逐渐扩展以致断裂。疲劳破坏具有在时间上的突发、位置上的局部性及对环境和缺陷的敏感性等特点，不易被及时发现。
关于金属疲劳损伤方面的研究记载，可追溯到1828年，德国矿业工程师Albert发现矿山机械用的升降链条多次在低于它的极限强度下发生破坏，对此进行了研究从而首次提出金属疲劳的概念。1850年，德国工程师Wohler设计出第一台疲劳试验机，对疲劳问题进行了进一步研究。1884年，德国学者Bauschinger发现“循环软化”现象，并提出循环应力-应变滞回曲线概念。20世纪初，随着宏观-细观的力学理论及其实验方法的发展，人们开始使用金相显微镜来研究疲劳机制。
1945年，美国学者Miner在Palmgren工作的基础上提出了线性累积损伤的理论公式，得到了目前实际工程中应用广泛的Palmgren-Miner模型。1958年，苏联科学家Kachanov提出利用连续性变量描述材料性能退化或材质受损的连续性过程，后来Rabothnow提出有效应力和损伤因子的概念，为损伤力学的建立作了开创性工作。1977年，Janson和Hult等人提出损伤力学这一概念。
从20世纪80年代至今，对金属疲劳问题的研究进入了一个快速发展的阶段。世界各国的科学工作者对疲劳破坏的研究都十分重视并取得极大的发展。但是，影响疲劳破坏的因素众多且彼此相互影响，还与结构件实际情况紧密关联，导致应用性成果远不能满足工程设计以及生产应用。
研究金属疲劳需要用到哪些仪器？
回顾金属疲劳的发展历程，可以看到，随着疲劳研究的深入，出现了如疲劳试验机、金相显微镜等不同的仪器设备以满足研究者们的使用需求。接下来，就盘点一下金属疲劳研究常用的一些仪器设备。
疲劳试验机，是一种主要用于测定金属及其合金材料在室温状态下的拉伸、压缩或拉、压交变负荷的疲劳性能试验的机器。目前市场上疲劳试验机品牌有MTS、英斯特朗、Zwick、万测、斯特普、三思纵横等。
金相显微镜，主要通过对组织形貌的检查来分析金属的组织与其化学成分的关系，可以确定各类钢材通过不一样的加工和热处理后的显微组织，以此来判断钢材质量的好坏，如各类型的钢材夹杂物在组织中的分布情况和数量以及金属晶粒度的大小。该仪器品牌有徕卡、蔡司、奥林巴斯等。
超景深显微镜，主要用于观察传统光学显微镜因景深不够而不能看到的显微世界，其应用领域拓展到光学显微镜和扫描电子显微镜之间。产品品牌有基恩士、徕卡、浩视和蔡司等。
扫描电子显微镜，用细聚焦的电子束轰击样品表面，通过电子与样品相互作用产生的二次电子、背散射电子等对样品表面或断口形貌进行观察和分析。其与能谱组合，还可以进行材料的成分分析。该仪器品牌有赛默飞、日本电子、泰思肯、欧波同、聚束科技、蔡司等。
3D轮廓测量仪，是测量各种机械零件素线形状和截面轮廓形状参数的精密设备，如角度处理、圆处理、点线处理、直线度、凸度、对数曲线、槽深、沟曲率半径、沟边距、沟心距、轮廓度、水平距离等参数。该仪器品牌有基恩士、布鲁克等。
以上列举了金属疲劳研究过程中常用的5类仪器，实际上，金属疲劳试验多样，所涉及到的仪器远不止这些。随着研究者工作的深入，对相关仪器设备的性能要求也越来越高。鉴于金属疲劳研究涉及内容的广泛性，疲劳损伤影响因素的多样性和金属构件自身的复杂性和不确定性，金属疲劳评估仍是一项长期而艰巨的工作。
来源于：仪器信息网
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