科学画报分享 http://blog.sciencenet.cn/u/xbyang 先后毕业于南开大学和北京大学,供职于《科学画报》

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金属也会疲劳 精选

已有 7376 次阅读 2011-5-6 09:36 |系统分类:科普集锦| 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。



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