疲勞損傷

疲勞是零件由於循環載荷引起的局部損傷的過程，是一個由包括零件裂紋萌生、擴展和最終斷裂等組成的累積過程所導致產生的綜合結果。在循環載入期間，在最高應力區域發生局部塑性變形，這種塑性變形引起零件的永久損傷和裂紋擴展。隨著零件所承受的載入循環次數不斷增加，裂紋長度(損傷)隨之增加。在達到一定循環次數之後，裂紋將導致零件失效(斷裂)。

通常，疲勞過程可以觀察到裂紋成核、微觀裂紋擴展、宏觀裂紋擴展和最終斷裂四階段。

裂紋在接近高應力集中的局部剪切面上開裂，如穩定滑移帶、夾雜物、疏鬆或晶粒不連續分佈等，局部剪切面通常發生在晶粒表面或邊界之內。在這一階段，裂紋成核是疲勞過程的第一步。一旦裂紋成核並且持續施加循環載荷，裂紋就會沿著最大切應力面並通過晶粒邊界擴展。

在工程應用中，將零件在裂紋成核和微觀裂紋擴展期間的壽命長度稱為裂紋萌生階段，而將零件在宏觀裂紋擴展期間的壽命長度稱為裂紋擴展階段。通常，對從萌生到擴展的過渡階段無法做出精確的定義。鋼製零件的裂紋萌生階段一般占其疲勞壽命的大部分，特別是在高周疲勞狀態下(約大於10000次循環)。在低周疲勞狀態下(約小於10000次循環)，疲勞壽命的大部分時間耗費在裂紋擴展。

一旦裂紋形成或者發生完全失效，就可以檢查到疲勞失效的表面。彎曲或軸向疲勞失效通常會留下蛤殼狀或海灘狀斑紋，這些斑紋的名稱源自斷裂表面的形貌特徵。裂紋成核區域位於殼的中央，裂紋像是從裂紋成核所在區域擴展開來的樣子，通常呈輻射狀，留下一個半橢圓形的圖案。在某些情況下，通過檢測裂紋部位所遺留海灘斑紋的尺寸和位置，可以識別裂紋擴展開始或者結束的不同階段。海灘斑紋的線條呈條紋狀與樹榦橫斷面的年輪線相似。這些條紋狀呈現出在一個載入循環期間裂紋擴展的範圍。與樹類似，樹每年長一圈，而疲勞損傷則在每個載入循環產生一個圈。在發生疲勞失效時，會出現一個最終的剪切裂痕，這是材料在失效之前對載荷的最後一點支撐。切變裂痕的尺寸取決於載入的類型、材料和其他條件。

疲勞損傷(Fatigue Damage，FD)是由於循環載荷引起的裂紋起始及其持續擴展，這種損傷是一個累積的過程。

以飛機為例，與飛機的使用情況(飛行小時或起落次數)有關。必須制訂一個檢查要求，以保證在由於某種疲勞損傷造成任何飛機的剩餘強度低於允許水平之前，提供探測疲勞損傷的最大可能性。

疲勞損傷評定應考慮：

(1)適用的剩餘強度，包括多部位疲勞損傷的影響。

(2)適用的裂紋擴展率，包括多部位或多元件疲勞損傷的影響。

(3)與疲勞損傷擴展間隔相關的損傷檢測期。疲勞損傷擴展間隔是從首次檢測時間(門檻值)到所規定極限尺寸(臨界的)之間的間隔。損傷檢測期隨著所應用的檢查方法及檢測概率而變化，並受結構部件或工藝的影響(如密封膠遮蓋住損傷部位)。

(4)檢查方法的檢測標準。

(5)適用的檢查等級和方法(如目視、無損檢測)，方位(如外部、內部檢查)及重複檢查問隔。

損傷容限分析包括剩餘強度分析和損傷增長分析。剩餘強度分析方法，迄今只有含各種缺陷試樣的拉伸剩餘強度和含穿透缺陷的厚試樣(破壞前不失穩)的壓縮剩餘強度工程估算方法。含其他缺陷(例如以分層為主要特徵的衝擊損傷)試樣的壓縮剩餘強度估算，可用基於層間應變能釋放率的“分層斷裂力學”來解決，但這種方法仍處在研究階段。而對損傷增長速率的分析，至今仍沒有可靠的方法。因此，對這些問題，主要是藉助多層次的試驗加以解決。

分析中通常採用的簡化原則包括以下兩點。

①所有分層簡化為直徑與實際缺陷最大長度尺寸相當的圓形分層；

②至少有一層纖維斷裂的各種缺陷/損傷，簡化為直徑與實際缺陷/損傷面內最大長度尺寸相當的圓孔。

複合材料結構為了擺脫衝擊所帶來的威脅，以衝擊壓縮破壞曲線的門檻值為基礎確定其設計許用應變。其結果是不得不把複合材料結構的工作應變限制在很低的水平上，使複合材料的潛力無法得到發揮。實際上，雖然複合材料結構在製造和使用過程中遇到外來物衝擊是不可避免的，但終究這種衝擊是局部的。不應該為保證這一局部的強度而限制所有未受衝擊的結構部位的工作應變，因為這顯然是不合理的，也是過於保守的。當然，問題

出在遭受衝擊的部位的隨機性和不確定性上。為了提高設計許用應變，一個很有希望的途徑是，在確定設計許用應變值時暫不考慮衝擊這個因素，而把衝擊損傷直接引人到結構中去設計複合材料結構。然後，考慮到遭受衝擊的部位的隨機性，把衝擊損傷引入到結構中的最危險部位，這對設計是偏安全的。這樣就把衝擊影響限制在局部範圍內，使複合材料結構可以在整體上大大提高其工作應變，這必將大幅度減輕結構重量。

鑒於目前複合材料結構的分析方法還不夠成熟，分析的精度還不能令人滿意，因此，複合材料結構的完整性驗證顯得尤為重要。

試驗完成後由試驗承擔單位編寫疲勞和損傷容限試驗的試驗報告，報告包括試驗總情況及進展情況，其主要內容為：

①試驗目的、試驗內容、試驗依據及試驗進展情況；

②試驗方法、試驗設備、試驗載荷譜、載入方法；

③試驗結構在試驗中出現的故障或損傷及對應的載荷循環數，損傷的部位及尺寸大小、方向和起止點．裂紋擴展規律；

④剩餘強度試驗載荷、結論；

⑤試驗件修理情況；

⑥試驗結果、結論，對批量生產件必須更改的建}義，對各種特殊破壞進行討論，報告

附略圖及照片。