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金屬最怕的就是金屬疲勞,為什麼金屬也會疲勞呢?


在生活中人們可能會因為耗費精力或者運動而導致疲勞,不止人類會這樣連金屬也會出現疲勞,而這個狀態被稱為金屬疲勞,金屬疲勞指的是材料或者零件結構在多次的循環應變從中留下了局部性永久的傷痕導致產生裂痕,都是源自於金屬疲勞,有80%~95%的機械失效都是它造成的,每年金屬疲勞造成的GDP損失就已經達到4%

人們也研究過金屬疲勞,從時間開始到如今已經有150多年的歷史了,金屬疲勞造成的第一起事故是是1949年,美國第一架噴氣民航客機首次飛行,但是這項工程成功帶來的歡呼並沒有維持多久,在僅僅5個月內就發生了兩次墜毀的事故,而且原因都是金屬疲勞。

由於飛機沖角的柳釘孔是衝壓出來的,所以出現了增壓裂痕肉眼基本上是看不見的,通過多次的增壓減壓造成了裂紋擴大從而出現了事故,這場事故奪去了68人的性命也導致了這家公司直接倒閉,所以很多的航空公司都非常重視金屬疲勞這個問題。

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」。

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

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……

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

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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