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《科学24小时》

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打盹的金属

2013-09-22 20:06:28

打盹的金属

杨先碧

 

2011 4 1 日下午,美国一架波音737 客机紧急降落在亚利桑那州的一座军事基地。乘坐这次航班的布伦达·里斯回忆道,她当时听到一阵“类似枪声”的声音,随后氧气面罩落下,飞机突然下坠,一些乘客因缺氧而昏倒。飞机在5 分钟内急降7600 米,所幸飞机成功迫降,仅有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,这次事故是因机身破损引起的,机身中段上方出现了一个长达1.8 米的破洞。

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,金属也会产生疲劳。人过度疲劳后会引发身体的疾病甚至死亡,而金属疲劳则会造成更大的伤害,它可能导致群体的伤亡!这绝不是危言耸听。倘若这架美国飞机的破损位置在发动机或机翼等关键部位,那么将很可能发生重大安全事故。历史上,一些大桥的断裂、房屋的倒塌、车祸、飞机失事等灾难的罪魁祸首都是金属疲劳。

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金属为何会疲劳

1998 6 3 日,德国一列高速动车在行驶中突然出轨,造成100 多人遇难身亡。事后经过调查,人们发现,事故竟是因为一节车厢的车轮内部金属疲劳断裂而引起的。一个小小的金属疲劳,竟导致了这场近50 年来德国最惨重的铁路事故。我们只知道金属有使用寿命,却不知道金属也需要休息,那么金属为何会疲劳呢?

让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,最后金属柄就会断裂。就像人过度疲劳会生病一样,金属柄在经过多次扭曲弯折后也会因疲劳而断裂。正是因为金属有这一特性,才会有许多所谓的“气功大师”通过弯折汤匙来展现他们的“特异功能”。

人的疲劳感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,在重复的推、拉、扭或其他的外力作用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,过强的压力会使金属原子间的化学键断裂而导致金属裂开。

 

为金属做体检

早在100 多年前,人们就发现了金属疲劳的危害。由于当时技术落后,人们还不能查明金属疲劳的原因。在第二次世界大战期间,美国的5000 艘货船共发生1000 多次事故,其中有238 艘完全报废,其主要原因就要归咎于金属的疲劳。直到电子显微镜问世之后,人类在揭开金属疲劳秘密的道路上开始不断取得新的成果,才总结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,科学检测手段的应用已经避免了不少因金属疲劳而可能发生的事故。科学家证实,在日常生活中,一些容易被我们忽视的现象正是“金属疲劳”的一种征兆,例如汽车刹车失灵,桥梁发生异动,发动机爆裂……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进行“体检”,以确保安全。

所有的金属表面都存在微小缺陷,但绝大部分都是肉眼难以看见的。这些瑕疵会使应力在该处产生,从而导致金属断裂,所以,当负载过重或是多次猛烈晃动,都会导致金属疲劳。现在,冶金学家使用显微镜来检视一些金属表面的瑕疵,他们将研究一种保护方法,以免金属疲劳。

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对金属器件造成的伤害。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,以便研究如何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”,这种涂料乍看之下和普通涂料没什么区别,但却掺入了钛酸铅粉末。当人们敲击涂有“聪明涂料”的金属板时,涂膜中会产生电流,这股电流可以帮助研究人员分析金属疲劳程度的信息。

 

让金属“强身健体”

在如今这个机器时代,如何防止金属疲劳显得尤为重要。好在人们已经掌握了一些改进和强化金属的方法,可以适当提高金属的“健康”程度,让金属尽少出现“疲劳”现象。

古人也懂得通过“锻炼”让金属变得“强壮”,所谓“百炼成钢”就是这个道理。而“锻炼”一词原本就来源于人们对金属的锻造。锻炼金属的方法非常简单,就是热处理,例如对钢不断回火和捶打,使其韧化,从而更加“健康”。

当然,在设计机械的过程中,一些微小改变也会有明显的作用。比如,减少开孔、挖槽和切口,尽可能地消除零件上的薄弱环节;提高零件表面的光洁度,保护表面不受生锈腐蚀之害;对零件表面进行强化处理,辗压零件的表面,使材料表面强化,从而不易产生微细裂纹等。

此外,还有一种方法能使金属更加“强壮”——向单一金属中掺入其他物质,填补金属原子间的空隙和瑕疵。如果掺入的物质是金属,就可以制造出合金,两种金属能够相互填充彼此的空隙而使金属强度增强。例如,在钢中加入碳,可以制造出高强度的碳钢。当然,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,加入微量的稀土元素,就可以大大提高这些金属抗疲劳的本领,延长使用寿命。

随着科技的进步,人们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。这些复合材料不但能让金属保留原有的强度,更能增加纤维和塑料的韧性,使这种复合材料不再轻易疲劳。


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