金屬的疲勞

竇光宇

人們所見到的金屬，看起來熠光閃閃、錚錚筋骨，被廣泛用來制作機器、兵刃、艦船、飛機等等。其實，金屬也有它的短處，在各種外力的反復作用下，可以產生疲勞狀態。而且，一旦產生疲勞，很容易造成十分嚴重的后果。

金屬疲勞危害大

2002年5月25日，華航C1611班次波音747-200型客機，由臺北中正機場飛往香港途中，墜毀在澎湖外海，事故造成機上225名旅客及機組人員全部罹難。科學家經過考察和分析后判定，飛機失事的原因主要是由于制作飛機的金屬材料產生疲勞損壞而引起。

金屬疲勞是十分普遍的現象。僅在1938～1942年的4年時間里，世界各國便有40座橋梁因金屬疲勞而損壞。自第二次世界大戰以來，世界上已有幾千艘船舶毀于金屬疲勞破壞。1954年，英國的慧星號飛機從羅馬起飛，金屬疲勞造成機身突然粉碎，幾十名旅客和機組人員全部葬身于大海。1995年12月，日本福井縣敦賀市一臺運轉中的高速核反應堆，由于二次冷卻系統熱電偶裝置的不銹鋼板在高溫下發生金屬疲勞，導致作為核反應堆冷卻劑的鈉泄漏，并引發火災。日本新干線山陽段的一處隧道，也發生因結構材料中鋼材“疲勞”，造成隧道崩塌。1998年6月3日，德國一列高速列車在行駛中突然出軌，造成100多人遇難身亡的嚴重后果。事后經過調查，人們發現，造成事故的原因竟然是因為一節車廂的車輪內部疲勞斷裂而引起的。

至于工、農業生產中發生的齒輪、彈簧、軸承、螺栓、鉚釘等零件的疲勞破壞更是數不勝數。據150多年來的統計，金屬部件中有80％以上的損壞是由于疲勞而引起的。在人們的日常生活中，也同樣會發生金屬疲勞帶來危害的現象。自行車突然前叉折斷，造成車翻人傷的后果；炒菜時鋁鏟折斷，挖地時鐵锨、鐵鎬斷裂的現象更是履見不鮮。金屬疲勞具有不易預測的突發性，往往讓人措手不及。

金屬為啥會“疲勞”?

好端端的金屬為啥會“疲勞”呢?大家知道，金屬的破壞有兩種形式，即斷裂和疲勞。金屬材料斷裂分脆性斷裂和韌性斷裂，韌性斷裂又稱塑性斷裂。通常，材料工程師總希望材料即使發生斷裂，也是塑性斷裂而不是脆性斷裂，這是因為材料在塑性斷裂造成破壞以前，總可以發現斷裂的跡象，尤其是對像航空器這樣的特種機械，定期例行的材料檢查是十分嚴格的。另外，塑性斷裂消耗能量。因此，具有沖擊破壞力的能量可以被消耗掉。那么，材料在什么情況下會產生脆性斷裂呢?以鋼材為例，存在一個轉變溫度，在轉變溫度以下，鋼材發生脆性斷裂，而在轉變溫度以上，鋼材發生韌性斷裂。由于脆性斷裂只消耗少量的能量，因此，低溫下鋼材的脆性斷裂會釀成巨大災難。在第二次世界大戰期間，由于人們對鋼材的轉變溫度缺乏了解，船舶大量采用鋼板整體焊接，當一些船舶在冬季航行時，往往發生船體鋼板脆性斷裂，導致船舶迅速解體。

再來看看金屬疲勞的情況，人們把金屬長期處在嚴酷工作條件下引起的破壞稱為“金屬疲勞”。為什么金屬疲勞時會產生破壞作用呢?這是因為金屬內部結構并不均勻，從而造成應力傳遞的不平衡，有的地方會成為應力集中區。與此同時，金屬內部的缺陷處還存在許多微小的裂紋。在力的持續作用下，裂紋會越來越大，材料中能夠傳遞應力的部分越來越少，直至剩余部分不能繼續傳遞負載時。金屬構件就會全部毀壞。

最常見的金屬疲勞是由“循環應力”引起的。大家知道，假如要想折斷手中一塊薄鋼片，而又找不到合適的工具，那么，最簡單的方法就是將這片鋼片大幅度地反復折疊。同樣道理，在金屬制成的旋轉軸和振動板等機械零件上，也存在一種對稱的循環應力，在某些嚴酷的工作條件下。這種循環應力在短時間內可以達到甚至超過材料的破壞極限，從而引起金屬疲勞破壞。

疲勞狀態能診斷

隨著現代科技的日益發展，研制具有良好抗環境斷裂的新材料、新工藝是材料科學亟待解決的問題。我國于1999年正式成立了環境斷裂重點實驗室。這個實驗室的任務是專門從事材料的斷裂和環境斷裂的宏觀規律和微觀機理研究，提出含裂紋材料的裂紋止裂和愈合的機理和措施。

環境斷裂重點實驗室配備有原子顯微鏡，可以研究拉伸狀態下原子層次和納米層次的微觀變化；還有納米力學探針，可以研究微牛頓量級的納米壓痕和納米劃痕，并可利用SPM原位成像：至于電化學掃描隧道顯微鏡，本領更為奇特，可以用于研究腐蝕或液體狀態下的原子行為。此外，還配有液體納米力學劃痕儀、UMT摩擦磨損試驗機，以及測定慢拉伸疲勞、腐蝕疲勞的機電化學設備。

環境斷裂重點實驗室成立以來，承擔了“金屬材料斷裂規律及機理的研究”、“若干腐蝕重大問題的研究”、“材料損傷斷裂機理與宏微觀力學理論”等多項國家自然科學基金課題及十多個重大項目。環境斷裂實驗室不僅在基礎理論研究上取得了豐碩的成果，在將理論知識轉化為生產力方面也做出了一定的成績。研究人員開發出C90抗硫化氫石油套管，質量優于日本同級別的鋼管。不僅填補了國內空白，還可以取代進口產品。研究人員通過研究氫在重軌鋼體中的行為過程，確定了安全生產的臨界氫濃度。在煉鋼時加以控制，從而保證連續軋制處理的正常運行。

解除疲勞有妙方

顯微鏡和電子顯微鏡相繼出現之后，使人類在揭開金屬疲勞秘密的道路上不斷取得新的成果，并且有了巧妙的辦法來對付這個大敵。

避免材料產生“金屬疲勞破壞”，材料工程人員要對材料在工作中的應力狀況有十分透徹的了解，避免任何會導致應力集中的設計方案。其次，提高產品的表面光潔度能有效防止材料因應力集中而出現細裂紋。當然，對像飛機這樣復雜的航空機械來說，影響其材料整體安全的原因是極其復雜的，因此，提高其每一零部件的安全可靠性能也就顯得格外重要。

在金屬材料中添加各種“維生素”是增強金屬抗疲勞的有效辦法。例如，在鋼鐵和有色金屬里，加進萬分之幾甚至千萬分之幾的稀土元素，就可以大大提高這些金屬抗疲勞的本領，延長使用壽命。隨著科學技術的發展，現已出現“金屬免疫療法”新技術，以抵抗疲勞損壞。此外，在金屬構件上，應盡量減少薄弱環節，還可以用一些輔助性工藝增加表面光潔度，以免發生銹蝕。對產生震動的機械設備要采取防震措施，以減少金屬疲勞的可能性。在必要的時候，要進行對金屬內部結構的檢測，對防止金屬疲勞也很有好處。

美國勞倫斯利沃摩爾國家實驗室，研制出“激光錘敲擊系統”，可以制造“不知疲倦”的長壽金屬。“激光錘敲擊系統”的過人之處是使用新型釹激光。這種激光功率強大，可以在20毫微秒(1毫微秒相當于10億分之一秒)內發出的能量可達lO億瓦。將如此巨大的能量在極短的時間內聚集到一小塊金屬上，可以產生極強的沖擊波，將金屬內部的原子擠壓得更緊密，使金屬結構變得均勻，并消除那些在高強度使用下導致斷裂的微小裂縫。這種“激光錘”形成的壓力可以達到每平方厘米70噸。而且它的速度很快，每秒可以產生5次高能脈沖。研究人員經過對比驗證，“激光敲擊”技術處理過的發動機葉片。壽命會延長3～5倍。研究證實，“激光錘”不僅可以用來加工用于制造飛機起落架、發動機葉片等部件的金屬，還可以加工其他抗疲勞部件，如人造膝蓋或人造髖關節。“激光錘”還可以用來制造儲存有毒廢料的堅固容器和更輕、更堅固的汽車傳動裝置，有著廣闊的應用前景。

責任編輯龐云