看似堅硬的金屬為什麼也會疲勞呢?

2021-02-25 每天學點熱處理

你能想像飛機在飛行過程中機頭突然斷掉的情形嗎？2007年，美國空軍的一架F-15戰鬥機在模擬空戰時就出現了如此驚險的一幕。這次事故造成美軍F-15戰機大面積停飛，調查結果顯示，事故起因於飛機上的一根金屬縱梁發生了疲勞。

無獨有偶，2002年，一架由我國臺灣飛往香港的波音747客機在澎湖附近海域解體墜毀，造成包括機組成員在內共225人不幸罹難。事後調查認為，飛機上一塊修補過的蒙皮發生了嚴重的金屬疲勞開裂，造成機尾脫落，最終導致飛機因艙體失壓而解體。

看到這裡，不少小夥伴都會疑惑：人累了會疲勞，怎麼金屬也會疲勞？

F-15戰機機頭與機身分離及飛行員彈射出艙過程

F-15的飛行事故就是由圖中縱梁的疲勞引發的

生活經驗告訴我們，要想徒手拉斷鐵絲是非常困難的，但如果反覆折幾下卻很容易折斷。這表明，即使反覆變化的外力遠小於能將金屬直接拉斷的恆力，也會使它的機械性能逐漸變弱並最終損毀。金屬的這種現象和人在長期工作下的疲勞非常像，科學家們便形象地稱其為「金屬疲勞」。

金屬疲勞示例

雖然很多人都沒聽過金屬疲勞的事兒，但它卻廣泛潛伏在人們的日常生活中，常常引發出人意料的嚴重事故。據估計，約90%的機械事故都和金屬疲勞有關。看似堅硬的金屬為什麼會疲勞呢？

正所謂「黃金無足色，白璧有微瑕」，我們目前所用的金屬並非是完美的，在加工或使用的過程中，金屬總會存在一些缺陷，比如內部有雜質或孔洞、表面有劃痕。這些缺陷往往只有微米量級，很難通過肉眼觀察，如果給金屬施加一個不變的拉力，它們並不容易產生裂縫。可如果外力是反覆變化的，一會兒是拉力一會兒是壓力，一部分能量就會轉換成熱，積累在金屬內部，一旦超過某個限度，金屬就很容易在缺陷處發生原子間的化學鍵斷裂，導致結構開裂。

顯微鏡觀測到的金屬缺陷及起始於該缺陷的金屬疲勞開裂過程

人如果過度疲勞，常會引發疾病甚至死亡，金屬如果疲勞了，則會帶來更大的危害，甚至造成群體傷亡。除了前文提到的飛行事故，輪船、列車、橋梁、汽車等也常因金屬疲勞招致災難：二戰期間，美國的5000艘貨船發生了近1000次金屬疲勞事故，200多艘貨船徹底歇菜；1998年，德國一列高速行駛的動車因車輪輪箍的疲勞斷裂而脫軌，造成100餘人死亡……

1998年，因車輪輪箍的疲勞斷裂造成了德國史上最嚴重的列車事故

由於金屬疲勞是較小的外力反覆長期作用的結果，金屬在開裂前基本沒有明顯的塑性變形，因此往往很難提前發現金屬的疲勞。難道我們就對邪惡的金屬疲勞束手無策了嗎？非也。經過科學家們的不懈努力，如今已有多種方法可以檢測金屬的疲勞，超聲波、紅外線、γ射線等都能對金屬進行體檢。日本的科學家還發明了一種摻入鈦酸鉛粉末的特殊塗料，在敲擊金屬時，金屬表面的塗料薄膜中會有電流通過，且電流的大小和金屬的疲勞程度有關，通過測量這股電流，便可知道金屬究竟有多「累」。

為了減少金屬疲勞事故的發生，科學家們在金屬的製備和使用過程中也做足了功夫。我們在生活中接觸到的機械幾乎都是用合金製成的，而很少採用單一金屬，這是由於合金中的幾種物質能填補彼此的空隙，有效提高金屬抵抗疲勞的能力。在加工和使用金屬零件時，保持表面光潔、遠離腐蝕環境，也能有效減少疲勞的發生。儘管如此，由於影響因素非常複雜，如今想要完全避免金屬疲勞仍是不可能的，科學家們的研究之路依舊漫長。

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