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谈谈飞机结构的疲劳与腐蚀 冷战结束后，由于东西方的军事对峙趋缓及全球性的经济不景气，各国的国 防经费都遭到大幅度缩减，使大多数国家的军用飞机都需要延长使用年限，如此 虽然可节省采购新机的花费，但老飞机结构上最令人头痛的疲劳与腐蚀，则是延 长服役期限时必须严肃以对的课题。 前言 东西方冷战时期，西方国家军用飞机的设计使用年限通常是20 年到30 年， 为了维持对苏联的军事优势，这些军用飞机在到达使用年限后都会予以退役，但 自1991 年苏联瓦解后，双方的军事对峙一夜之间骤然消失，维持军事优势已无 必要性，加上本世纪初的全球性经济不景气，国防经费遭到大幅度删减，使得许 多国家的军用飞机在到达使用年限后仍然得继续服役，部分机型的服役时间甚至 高达50 年以上。 B-52“同温层堡垒” （Stratofortress）轰炸机是冷战时期美国的核轰炸主 力，最后一架B-52H 于1962 年出厂，原本预定在服役30 年后的 1992 年退役， 如今美国空军决定该机得继续服役到2040 年，届时服役时间将逼近80 岁，堪称 是爷爷级的古董机。而于 1961 年进入美国空军服役的 T-38“禽爪” （Talon） 喷气教练机，原设计服役寿命为7,000 飞行小时，但经过数次性能提升延长服役 寿命后，在2013 年时的实际飞行时数已达 15,000 飞行小时，等到预计的2026 年退役时，实际飞行时数将达23,000 小时，为原本设计值的3 倍多。 T-38 在1997~2001 年的世纪之交更换了全新机翼，老机得以开新花 延长飞机使用年限固然可以省下采购新飞机的经费，但伴随着飞机使用时间 的增加，飞机结构的疲劳（fatigue）及腐蚀（corrosion）问题也会随之一一浮 现。根据一份1997 年发表的研究报告，从1954 年到1995 年这40 年间，全球共 约发生2,800 次飞机失事，其中由于结构问题导致的有67 件，原因及百分比为 ︰其它及设计不良各占10.4%、维修不良占7.5%、超负荷（overload）占28.4%、 疲劳及腐蚀占百分之 43.2%。结构问题中疲劳及腐蚀危害最烈，几乎占了一半， 可见要维持老飞机的飞行安全，必须对结构疲劳及腐蚀有正确的认知及处置，而 这也是目前各国空军现正面对的首要课题。 结构疲劳破坏典型破断面 疲劳 疲劳是指在低于材料极限强度（ultimate strength）的应力（stress）长 期反复作用下，导致结构终于破坏的一种现象。由于总是发生在结构应力远低于 设计容许最大应力的情况下，因此常能躲过一般人的注意而不被发觉，这也是疲 劳最危险的地方。 材料在承受反复应力的作用过程中，每一次的应力作用称为一个应力周期 （cycle），此周期内的材料受力状态，由原本的无应力先到达最大正应力（拉 伸应力），然后到达最大负应力（压缩应力），最后回到无应力状态。在此受力 过程中，每一个应力周期所经历的时间长短（即︰频率）与疲劳关系甚微，应力 周期的振幅及累积次数才是决定疲劳破坏发生的时机；另外，压缩应力不会造成 疲劳破坏，拉伸应力才是疲劳破坏的主因。 材料承受反复应力的作用过程 疲劳破坏大致分为两类︰低周期疲劳（low cycle fatigue）及高周期疲劳 （high cycle fatigue）。一般而言，发生疲劳破坏时的应力周期次数少于十万 次者，称为低周期疲劳；高于此次数者，称为高周期疲劳。低周期疲劳的作用应 力较大，经常伴随着结构的永久塑性变形（plastic deformation）；高周期疲 劳的作用应力较小，结构变形通常维持在弹性（elastic）范围内，所以不致有 永久变形。 材料疲劳破坏的进程分为三阶段︰裂纹初始（crack initiation）、裂纹成 长（crack growth）、强制破坏（rupture）。材料表面瑕疵或是几何形状不连 续处，材料晶格（lattice）在外力作用下沿结晶面（crystallography plane） 相互滑移（slip），形成不可逆的差排（dislocation）移动，在张力及压力交 替作用下，于材料表面形成外凸（extrusion）及内凹（intrusion），造成初始 裂纹。这些初始裂纹在多次应力周期的拉伸应力连续拉扯下逐渐成长，并使材料 承载面积缩减，降低材料的承载能力。当裂纹成长到临界长度（critical l