給金屬做個(gè)體檢吧

楊先碧

2011年4月1日下午，美國(guó)西南航空公司一架波音737客機(jī)因飛行途中機(jī)身破損，在5分鐘內(nèi)急降7 600米，所幸成功迫降，僅1名空乘人員受輕傷。事故發(fā)生后，航空安全專家趕赴現(xiàn)場(chǎng)檢查后發(fā)現(xiàn)，飛機(jī)中段過(guò)道上方機(jī)身有一個(gè)1.8米長(zhǎng)的破洞。

機(jī)身為什么會(huì)有破洞呢？安全專家表示，機(jī)身會(huì)出現(xiàn)破洞，是因?yàn)榻饘佼a(chǎn)生了疲勞現(xiàn)象。和人一樣，金屬也會(huì)疲勞。當(dāng)人過(guò)度疲勞，會(huì)導(dǎo)致個(gè)體生病或死亡。而金屬一旦疲勞，其強(qiáng)度會(huì)降低，甚至斷裂損毀，從而可能導(dǎo)致某個(gè)人類群體的災(zāi)難！

這絕不是危言聳聽(tīng)。1979年5月25日，一架滿載乘客的美國(guó)航空公司DG-10型三引擎巨型噴氣客機(jī)，從芝加哥起飛不久，就失去了左邊一臺(tái)引擎，隨即著火燃燒，爆炸墜落。機(jī)上乘客及機(jī)組人員共計(jì)273人無(wú)一幸免，這是世界航空史上最慘痛的事件之一。有關(guān)部門(mén)對(duì)飛機(jī)的殘骸檢查后發(fā)現(xiàn)，飛機(jī)上連接故障引擎與機(jī)翼的螺栓因金屬疲勞而折斷，最終導(dǎo)致了這場(chǎng)悲劇。

金屬為何會(huì)疲勞

金屬疲勞已是十分普遍的現(xiàn)象了。據(jù)統(tǒng)計(jì)，金屬部件中有80%以上的損壞是由疲勞引起的。那么，金屬為什么會(huì)疲勞呢？回答這個(gè)問(wèn)題之前，我們先來(lái)做一個(gè)小實(shí)驗(yàn)：找一把鋁合金湯匙，然后在柄的根部將湯匙微微來(lái)回彎曲數(shù)次，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，湯匙很快就斷裂了。

人的疲勞感覺(jué)來(lái)自于長(zhǎng)期的勞累或某次過(guò)重的負(fù)荷，金屬也一樣。金屬的機(jī)械性能會(huì)隨著時(shí)間而漸漸變?nèi)酰@就是金屬的疲勞。在正常使用機(jī)械時(shí)，重復(fù)地推、拉、扭或給予其他外力作用，都會(huì)造成金屬機(jī)械部件的疲勞。這是因?yàn)闄C(jī)械受壓時(shí)，金屬原子的排列會(huì)發(fā)生改變，強(qiáng)大的壓力會(huì)使金屬原子間的化學(xué)鍵斷裂而導(dǎo)致金屬裂開(kāi)。

為金屬做體檢

由于金屬材料的疲勞一般很難發(fā)現(xiàn)，因此常常造成突發(fā)事故。不過(guò)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在汽車剎車突然失靈、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)突然爆裂、強(qiáng)風(fēng)使鐵橋崩塌等慘禍發(fā)生前，剎車、機(jī)身、橋梁上都會(huì)產(chǎn)生異常震動(dòng)，這實(shí)際上就是金屬疲勞的一種征兆。所以，工程師設(shè)計(jì)汽車、飛機(jī)、橋梁或其他機(jī)械時(shí)，都必須考慮到金屬的疲勞問(wèn)題，并對(duì)這些金屬建筑或機(jī)械定期進(jìn)行“體檢”，以確保安全。

所有金屬表面都存在微小的缺陷，有的肉眼可見(jiàn)，有的則不可見(jiàn)。這些瑕疵都會(huì)使得應(yīng)力在該處產(chǎn)生，一次負(fù)載過(guò)重或多次猛烈晃動(dòng)，都會(huì)導(dǎo)致金屬產(chǎn)生疲勞而從瑕疵處裂開(kāi)。不過(guò)，現(xiàn)在冶金學(xué)家可以用顯微鏡來(lái)檢視金屬表面那些肉眼看不見(jiàn)的瑕疵了，并據(jù)此研究保護(hù)金屬的方法，以避免金屬產(chǎn)生疲勞。

日本原子能研究所的研究人員還研制出了一種“聰明涂料”，這種涂料乍看和普通涂料沒(méi)什么區(qū)別，但“聰明涂料”中摻入了鈦酸鉛粉末，將“聰明涂料”涂在金屬板上，再敲擊金屬板使其震動(dòng)，涂膜中就會(huì)產(chǎn)生電流，這便可作為研究人員分析金屬疲勞程度的信息。例如，將“聰明涂料”涂在飛機(jī)機(jī)翼上，定期檢測(cè)涂膜中產(chǎn)生的電流，一旦發(fā)現(xiàn)電流異常，就立即實(shí)施緊急精密檢查，及時(shí)查明原因，從而排除事故隱患。

讓金屬“強(qiáng)身健體”

在如今這個(gè)機(jī)器時(shí)代和未來(lái)的機(jī)器人時(shí)代，如何防止金屬疲勞顯得尤為重要。現(xiàn)在人們已經(jīng)掌握了一些強(qiáng)化金屬的方法，提高了金屬的“健康”程度。其實(shí)，古人早就知道讓金屬“強(qiáng)壯”的方法了，那就是鍛煉它們。

鍛煉金屬的方法就是熱處理，不斷回火和捶打，使其韌化，令其“百煉成鋼”，減弱其易疲勞的特性。

向單一金屬中摻入其他物質(zhì)，填補(bǔ)金屬中的空隙和瑕疵，是人們想到的另外一個(gè)辦法。在金屬中摻入另一種金屬或非金屬，就可以制造出合金，用兩種金屬相互填充空隙的方法來(lái)彌補(bǔ)瑕疵，同時(shí)能使金屬?gòu)?qiáng)度增高；如果加入碳，則可制造出高強(qiáng)度碳鋼。在金屬材料中添加各種稀有金屬，也是增強(qiáng)金屬抗疲勞的有效辦法。例如在鋼鐵和有色金屬里，加進(jìn)萬(wàn)分之幾或千萬(wàn)分之幾的稀土元素，就可大大提高這些金屬抗疲勞的能力，延長(zhǎng)其使用壽命。隨著科技的進(jìn)步，人們已研制出了更多含有金屬的復(fù)合材料，如金屬和玻璃纖維或塑料的合成物。這些復(fù)合材料不但保留了原來(lái)金屬的強(qiáng)度，還增加了纖維和塑料的韌性，使得金屬不會(huì)再輕易疲勞。

另外，在設(shè)計(jì)機(jī)械時(shí)，應(yīng)盡量消除零件上的薄弱環(huán)節(jié)，減少開(kāi)孔、挖槽、切口等，因?yàn)槠诹鸭y常常發(fā)生在這些地方；應(yīng)提高零件表面的光潔度，減少劃痕，保護(hù)表面不受生銹腐蝕之害；還應(yīng)對(duì)零件表面進(jìn)行強(qiáng)化處理，比如輾壓零件表面，使之強(qiáng)化。這些都有助于減少金屬裂紋的產(chǎn)生，從而避免可能發(fā)生的金屬疲勞事故。