金属也会疲劳
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2011-5-6 09:36
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标签：疲劳, 金属
2011年4月1日下午，美国西南航空公司一架波音737客机因飞行途中机身破损紧急降落亚利桑那州一座军事基地。乘坐这次航班的乘客布伦达·里斯说，她当时听到“类似枪声”的声音，随后氧气面罩落下，飞机突然下坠，一些乘客因缺氧昏倒。飞机在5分钟内急降7600米，所幸飞机成功迫降，仅一名空乘人员受轻伤。事故发生后，航空安全专家赶赴现场进行检查。调查结果显示，这次事故是机身破损引起的，飞机中段过道上方机身有一个1.8米长的破洞。
安全专家表示，机身出现破洞是由金属疲劳现象引起的。人累了就会有疲劳的感觉，想不到金属也会疲劳。人过度疲劳后会导致个体的生病或死亡，而金属疲劳会造成更大的伤害，它可能导致某个人类群体的死亡！这绝不是危言耸听。如果美国这次飞机破损现象处置不当，则很可能出现大的安全事故。在历史上，一些金属大桥的断裂、房屋的倒塌、车祸、飞机失事，都是因金属疲劳而引发的重大事故。
金属为何会疲劳
1998年6月3日，德国一列高速列车在行驶中突然出轨，造成100多人遇难身亡的严重后果。事后经过调查，人们发现，造成事故的原因竟是因为一节车厢的车轮内部金属疲劳断裂，从而导致了这场近50年来德国最惨重铁路事故的发生。实践证明，金属疲劳已经是十分普遍的现象。据150多年来的统计，金属部件中有80％以上的损坏是由于疲劳而引起的。
为了说明金属也会疲劳，我们先来做一个小实验。找一把铝合金汤匙，然后从汤匙柄的根部将汤匙微微弯曲数次，最后金属将因为过度疲劳而断裂，就像人过度疲劳会生病一样。这个实验是很有名的，曾经有一些所谓的“气功大师”用这个实验来显示他们的“特异功能”，后来被媒体揭穿了，结果那是人人都能做的事情，只是需要一些遮人耳目的小技巧罢了。
人的疲劳感觉来自于长期的劳累或一次过重的负荷，金属也是一样。金属的机械性能会随着时间而渐渐变弱，这就是金属的疲劳。在正常使用机械时，重复的推、拉、扭或其他的外力情况下都会造成机械部件中金属的疲劳。这是因为机械受压时，金属中原子的排列会大大改变，大大的压力会使金属原子间的化学键断裂而导致金属裂开。
其实，不仅仅是那些安全专家会遭遇到金属疲劳的问题。在人们的日常生活中，也同样会发生金属疲劳带来危害的现象。一辆正在马路上行走的自行车突然前叉折断，造成车翻人伤的后果。还有其他一些因金属疲劳导致的日常生活中的小事故，比如，炒菜时铝铲突然意外折断，导致油沫飞溅到脸上而出现烫伤；挖地时，铁锨突然断裂，可能令人摔一跟头。
为金属做体检
1979年5月25日，一架满载乘客的美国航空公司DG—10型三引擎巨型喷气客机，从芝加哥起飞不久，就失去了左边一具引擎，随即着火燃烧，然后爆炸坠地。机上273名乘客和机组人员无一幸免。这是世界航空史上最悲惨的事件之一。事后，有关当局对这架失事飞机的残骸进行检查后发现，这架飞机上连接一具引擎与机翼的螺栓因金属疲劳折断，从而导致引擎燃烧爆炸。1979年空难与美国最近的这次航空事故比较类似，都是金属疲劳引起的，只不过1979年金属发生疲劳的部位更加关键。
由于金属材料的疲劳一般难以发现，因此常常造成突然的事故。早在100多年以前，人们就发现了金属疲劳给各个方面带来的损害。但由于技术的落后，还不能查明疲劳破坏的原因。在第二次世界大战期间，美国的5000艘货船共发生1000多次破坏事故，有238艘完全报废，其中大部分要归咎于金属的疲劳。直到出现了电子显微镜之后，人类在揭开金属疲劳秘密的道路上不断取得了新的成果，才开发出一些发现和消除金属疲劳的手段。
科学研究表明，金属疲劳并非完全难以检测。近年来，应用科学的检测手段避免了不少因金属疲劳而可能发生的事故。科学家证实，汽车刹车突然失灵而掉下悬崖、飞机发动机突然爆裂、强风使铁桥崩塌等惨祸发生前，刹车、机身、桥梁上都会产生异常震动，这实际上就是“金属疲劳”的一种征兆。所以，当工程师设计飞机、汽车、桥梁或其他机械时，都必须考虑到金属疲劳问题，并对这些金属建筑或机械定期“体检”，以确保安全。
所有金属表面都存在微小缺陷，有的肉眼看得见，有的肉眼看不见。这些瑕疵都会使得应力在该处产生，从而导致金属开始裂开，所以，当一次负载过重或是多次猛烈晃动，都会导致金属疲劳而从瑕疵处裂开。现在，冶金学家使可以用显微镜来检视金属表面看不见的瑕疵，他们研究如何以最好的方法来保护金属，以免使得金属疲劳。
给金属过度加压或扭转会导致金属疲劳，由于这个原因，在使用金属部件时，工程师必须要测试金属的结构，用电子计量器可以测量压力以及因压力所造成的伤害。冶金学家通过研究金属的破裂状况，能更加了解金属的结构，以便如何研究减少金属破裂的概率。
日本原子能研究所的研究人员还研制出了一种“聪明涂料”，这种涂料初看和普通涂料没什么区别，但实际上涂料中掺入了钛酸铅粉末。将“聪明涂料”涂在金属板上，再敲击金属板使其震动，结果涂膜中会产生电流，这便可作为研究人员分析金属疲劳程度的信息。例如，将“聪明涂料”涂在飞机机翼上，然后经常测定涂膜中产生的电流，一旦发现异常电流，立即实施紧急精密检查，及时查明原因，便可排除事故隐患。
让金属“强身健体”
在现今这个机器时代和未来的机器人时代，如何防止金属疲劳显得尤为重要。现在人们已经知道了一些改进和强化金属，相当于提高了金属的“健康”程度，可以让金属尽量少出现“疲劳”现象。
古人就知道了如何让金属“强壮”的方法，那就是锻炼它们，令它们“百炼成钢”。现在我们所说的“锻炼身体”一词，其实就来源于对金属的锻炼，我们应该像锻炼金属一样锻炼自己的身体。锻炼金属的方法是热处理，例如对钢不断回火和捶打，使其韧化，减弱金属容易疲劳的特性。
人们想到的另外一个方法是向单一金属中掺入其他物质，填补金属中的空隙和瑕疵。如果掺入的物质是金属，就可以制造出合金，用两种金属相互填充空隙的方法来弥补瑕疵，并使得金属强度增高。向金属中加入碳，也可以弥补金属中的瑕疵，制造出高强度碳钢。在金属材料中添加各种“维生素”，也是增强金属抗疲劳的有效办法。例如在钢铁和有色金属里，加进万分之几或千万分之几的稀土元素，就可以大大提高这些金属抗疲劳的本领，延长使用寿命。
在设计机械时，也应尽量减少可能发生的金属疲劳事故。比如，可以消除零件上的薄弱环节，减少开孔、挖槽、切口等，因为疲劳裂纹常常发生在这些地方；提高零件表面的光洁度，保护表面不受生锈腐蚀之害，加工粗糙所产生的刻划痕以及材料锈腐之处，都是容易产生微细裂纹的；对零件表面进行强化处理，比如，辗压零件的表面，使材料表面强化，从而不易产生微细裂纹。
随着科技的进步，已经研制出更多含有金属的复合材料，如金属和玻璃纤维或塑料的合成物。这些复合材料使得金属不但保留了原来的强度，而且增加了纤维和塑料的韧性，使得金属不再轻易疲劳。
安全专家表示，机身出现破洞是由金属疲劳现象引起的。人累了就会有疲劳的感觉，想不到金属也会疲劳。人过度疲劳后会导致个体的生病或死亡，而金属疲劳会造成更大的伤害，它可能导致某个人类群体的死亡！这绝不是危言耸听。如果美国这次飞机破损现象处置不当，则很可能出现大的安全事故。在历史上，一些金属大桥的断裂、房屋的倒塌、车祸、飞机失事，都是因金属疲劳而引发的重大事故。
金属为何会疲劳
1998年6月3日，德国一列高速列车在行驶中突然出轨，造成100多人遇难身亡的严重后果。事后经过调查，人们发现，造成事故的原因竟是因为一节车厢的车轮内部金属疲劳断裂，从而导致了这场近50年来德国最惨重铁路事故的发生。实践证明，金属疲劳已经是十分普遍的现象。据150多年来的统计，金属部件中有80％以上的损坏是由于疲劳而引起的。
为了说明金属也会疲劳，我们先来做一个小实验。找一把铝合金汤匙，然后从汤匙柄的根部将汤匙微微弯曲数次，最后金属将因为过度疲劳而断裂，就像人过度疲劳会生病一样。这个实验是很有名的，曾经有一些所谓的“气功大师”用这个实验来显示他们的“特异功能”，后来被媒体揭穿了，结果那是人人都能做的事情，只是需要一些遮人耳目的小技巧罢了。
人的疲劳感觉来自于长期的劳累或一次过重的负荷，金属也是一样。金属的机械性能会随着时间而渐渐变弱，这就是金属的疲劳。在正常使用机械时，重复的推、拉、扭或其他的外力情况下都会造成机械部件中金属的疲劳。这是因为机械受压时，金属中原子的排列会大大改变，大大的压力会使金属原子间的化学键断裂而导致金属裂开。
其实，不仅仅是那些安全专家会遭遇到金属疲劳的问题。在人们的日常生活中，也同样会发生金属疲劳带来危害的现象。一辆正在马路上行走的自行车突然前叉折断，造成车翻人伤的后果。还有其他一些因金属疲劳导致的日常生活中的小事故，比如，炒菜时铝铲突然意外折断，导致油沫飞溅到脸上而出现烫伤；挖地时，铁锨突然断裂，可能令人摔一跟头。
为金属做体检
1979年5月25日，一架满载乘客的美国航空公司DG—10型三引擎巨型喷气客机，从芝加哥起飞不久，就失去了左边一具引擎，随即着火燃烧，然后爆炸坠地。机上273名乘客和机组人员无一幸免。这是世界航空史上最悲惨的事件之一。事后，有关当局对这架失事飞机的残骸进行检查后发现，这架飞机上连接一具引擎与机翼的螺栓因金属疲劳折断，从而导致引擎燃烧爆炸。1979年空难与美国最近的这次航空事故比较类似，都是金属疲劳引起的，只不过1979年金属发生疲劳的部位更加关键。
由于金属材料的疲劳一般难以发现，因此常常造成突然的事故。早在100多年以前，人们就发现了金属疲劳给各个方面带来的损害。但由于技术的落后，还不能查明疲劳破坏的原因。在第二次世界大战期间，美国的5000艘货船共发生1000多次破坏事故，有238艘完全报废，其中大部分要归咎于金属的疲劳。直到出现了电子显微镜之后，人类在揭开金属疲劳秘密的道路上不断取得了新的成果，才开发出一些发现和消除金属疲劳的手段。
科学研究表明，金属疲劳并非完全难以检测。近年来，应用科学的检测手段避免了不少因金属疲劳而可能发生的事故。科学家证实，汽车刹车突然失灵而掉下悬崖、飞机发动机突然爆裂、强风使铁桥崩塌等惨祸发生前，刹车、机身、桥梁上都会产生异常震动，这实际上就是“金属疲劳”的一种征兆。所以，当工程师设计飞机、汽车、桥梁或其他机械时，都必须考虑到金属疲劳问题，并对这些金属建筑或机械定期“体检”，以确保安全。
所有金属表面都存在微小缺陷，有的肉眼看得见，有的肉眼看不见。这些瑕疵都会使得应力在该处产生，从而导致金属开始裂开，所以，当一次负载过重或是多次猛烈晃动，都会导致金属疲劳而从瑕疵处裂开。现在，冶金学家使可以用显微镜来检视金属表面看不见的瑕疵，他们研究如何以最好的方法来保护金属，以免使得金属疲劳。
给金属过度加压或扭转会导致金属疲劳，由于这个原因，在使用金属部件时，工程师必须要测试金属的结构，用电子计量器可以测量压力以及因压力所造成的伤害。冶金学家通过研究金属的破裂状况，能更加了解金属的结构，以便如何研究减少金属破裂的概率。
日本原子能研究所的研究人员还研制出了一种“聪明涂料”，这种涂料初看和普通涂料没什么区别，但实际上涂料中掺入了钛酸铅粉末。将“聪明涂料”涂在金属板上，再敲击金属板使其震动，结果涂膜中会产生电流，这便可作为研究人员分析金属疲劳程度的信息。例如，将“聪明涂料”涂在飞机机翼上，然后经常测定涂膜中产生的电流，一旦发现异常电流，立即实施紧急精密检查，及时查明原因，便可排除事故隐患。
让金属“强身健体”
在现今这个机器时代和未来的机器人时代，如何防止金属疲劳显得尤为重要。现在人们已经知道了一些改进和强化金属，相当于提高了金属的“健康”程度，可以让金属尽量少出现“疲劳”现象。
古人就知道了如何让金属“强壮”的方法，那就是锻炼它们，令它们“百炼成钢”。现在我们所说的“锻炼身体”一词，其实就来源于对金属的锻炼，我们应该像锻炼金属一样锻炼自己的身体。锻炼金属的方法是热处理，例如对钢不断回火和捶打，使其韧化，减弱金属容易疲劳的特性。
人们想到的另外一个方法是向单一金属中掺入其他物质，填补金属中的空隙和瑕疵。如果掺入的物质是金属，就可以制造出合金，用两种金属相互填充空隙的方法来弥补瑕疵，并使得金属强度增高。向金属中加入碳，也可以弥补金属中的瑕疵，制造出高强度碳钢。在金属材料中添加各种“维生素”，也是增强金属抗疲劳的有效办法。例如在钢铁和有色金属里，加进万分之几或千万分之几的稀土元素，就可以大大提高这些金属抗疲劳的本领，延长使用寿命。
在设计机械时，也应尽量减少可能发生的金属疲劳事故。比如，可以消除零件上的薄弱环节，减少开孔、挖槽、切口等，因为疲劳裂纹常常发生在这些地方；提高零件表面的光洁度，保护表面不受生锈腐蚀之害，加工粗糙所产生的刻划痕以及材料锈腐之处，都是容易产生微细裂纹的；对零件表面进行强化处理，比如，辗压零件的表面，使材料表面强化，从而不易产生微细裂纹。
随着科技的进步，已经研制出更多含有金属的复合材料，如金属和玻璃纤维或塑料的合成物。这些复合材料使得金属不但保留了原来的强度，而且增加了纤维和塑料的韧性，使得金属不再轻易疲劳。
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