看似坚硬的金属为什么也会疲劳呢?

作者:朱磊来源:蝌蚪五线谱发布时间:2017-05-23

即使再坚硬的金属,也会存在着缺陷。

  你能想象飞机在飞行过程中机头突然断掉的情形吗?2007年,美国空军的一架F-15战斗机在模拟空战时就出现了如此惊险的一幕。这次事故造成美军F-15战机大面积停飞,调查结果显示,事故起因于飞机上的一根金属纵梁发生了疲劳。

  无独有偶,2002年,一架由我国台湾飞往香港的波音747客机在澎湖附近海域解体坠毁,造成包括机组成员在内共225人不幸罹难。事后调查认为,飞机上一块修补过的蒙皮发生了严重的金属疲劳开裂,造成机尾脱落,最终导致飞机因舱体失压而解体。

  看到这里,不少小伙伴都会疑惑:人累了会疲劳,怎么金属也会疲劳?

看似坚硬的金属为什么也会疲劳呢?

  F-15战机机头与机身分离及飞行员弹射出舱过程(图片来源:www.snopes.com)

看似坚硬的金属为什么也会疲劳呢?

F-15的飞行事故就是由图中纵梁的疲劳引发的(网络图)

  生活经验告诉我们,要想徒手拉断铁丝是非常困难的,但如果反复折几下却很容易折断。这表明,即使反复变化的外力远小于能将金属直接拉断的恒力,也会使它的机械性能逐渐变弱并最终损毁。金属的这种现象和人在长期工作下的疲劳非常像,科学家们便形象地称其为“金属疲劳”。

看似坚硬的金属为什么也会疲劳呢?

金属疲劳示例(图片来源:www.yama-kin.co.jp,经作者汉化)

  虽然很多人都没听过金属疲劳的事儿,但它却广泛潜伏在人们的日常生活中,常常引发出人意料的严重事故。据估计,约90%的机械事故都和金属疲劳有关。看似坚硬的金属为什么会疲劳呢?

  正所谓“黄金无足色,白璧有微瑕”,我们目前所用的金属并非是完美的,在加工或使用的过程中,金属总会存在一些缺陷,比如内部有杂质或孔洞、表面有划痕。这些缺陷往往只有微米量级,很难通过肉眼观察,如果给金属施加一个不变的拉力,它们并不容易产生裂缝。可如果外力是反复变化的,一会儿是拉力一会儿是压力,一部分能量就会转换成热,积累在金属内部,一旦超过某个限度,金属就很容易在缺陷处发生原子间的化学键断裂,导致结构开裂。

看似坚硬的金属为什么也会疲劳呢?

显微镜观测到的金属缺陷及起始于该缺陷的金属疲劳开裂过程(资料图,经作者汉化)

  人如果过度疲劳,常会引发疾病甚至死亡,金属如果疲劳了,则会带来更大的危害,甚至造成群体伤亡。除了前文提到的飞行事故,轮船、列车、桥梁、汽车等也常因金属疲劳招致灾难:二战期间,美国的5000艘货船发生了近1000次金属疲劳事故,200多艘货船彻底歇菜;1998年,德国一列高速行驶的动车因车轮轮箍的疲劳断裂而脱轨,造成100余人死亡……

看似坚硬的金属为什么也会疲劳呢?

1998年,因车轮轮箍的疲劳断裂造成了德国史上最严重的列车事故(图片来源:凤凰网)

  由于金属疲劳是较小的外力反复长期作用的结果,金属在开裂前基本没有明显的塑性变形,因此往往很难提前发现金属的疲劳。难道我们就对邪恶的金属疲劳束手无策了吗?非也。经过科学家们的不懈努力,如今已有多种方法可以检测金属的疲劳,超声波、红外线、γ射线等都能对金属进行体检。日本的科学家还发明了一种掺入钛酸铅粉末的特殊涂料,在敲击金属时,金属表面的涂料薄膜中会有电流通过,且电流的大小和金属的疲劳程度有关,通过测量这股电流,便可知道金属究竟有多“累”。

  为了减少金属疲劳事故的发生,科学家们在金属的制备和使用过程中也做足了功夫。我们在生活中接触到的机械几乎都是用合金制成的,而很少采用单一金属,这是由于合金中的几种物质能填补彼此的空隙,有效提高金属抵抗疲劳的能力。在加工和使用金属零件时,保持表面光洁、远离腐蚀环境,也能有效减少疲劳的发生。尽管如此,由于影响因素非常复杂,如今想要完全避免金属疲劳仍是不可能的,科学家们的研究之路依旧漫长。

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