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(chǎn)生疲勞狀態(tài)。而且，一旦產(chǎn)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?？茖W家經(jīng)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(chǎn)生疲勞損壞而引起。

金屬疲勞是十分普遍的現(xiàn)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(zhàn)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(zhuǎn)中的高速核反應(yīng)堆，由于二次冷卻系統(tǒng)熱電偶裝置的不銹鋼板在高溫下發(fā)生金屬疲勞，導致作為核反應(yīng)堆冷卻劑的鈉泄漏，并引發(fā)火災(zāi)。日本新干線山陽段的一處隧道，也發(fā)生因結(jié)構(gòu)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(jīng)過調(diào)查，人們發(fā)現(xiàn)，造成事故的原因竟然是因為一節(jié)車廂的車輪內(nèi)部疲勞斷裂而引起的。

至于工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)生的齒輪、彈簧、軸承、螺栓、鉚釘?shù)攘慵钠谄茐母菙?shù)不勝數(shù)。據(jù)150多年來的統(tǒng)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(fā)生金屬疲勞帶來危害的現(xiàn)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(xiàn)象更是履見不鮮。金屬疲勞具有不易預測的突發(fā)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(fā)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(fā)現(xiàn)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(chǎn)生脆性斷裂呢?以鋼材為例，存在一個轉(zhuǎn)變溫度，在轉(zhuǎn)變溫度以下，鋼材發(fā)生脆性斷裂，而在轉(zhuǎn)變溫度以上，鋼材發(fā)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(zāi)難。在第二次世界大戰(zhàn)期間，由于人們對鋼材的轉(zhuǎn)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(fā)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(chǎn)生破壞作用呢?這是因為金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)并不均勻，從而造成應(yīng)力傳遞的不平衡，有的地方會成為應(yīng)力集中區(qū)。與此同時，金屬內(nèi)部的缺陷處還存在許多微小的裂紋。在力的持續(xù)作用下，裂紋會越來越大，材料中能夠傳遞應(yīng)力的部分越來越少，直至剩余部分不能繼續(xù)傳遞負載時。金屬構(gòu)件就會全部毀壞。

最常見的金屬疲勞是由“循環(huán)應(yīng)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(zhuǎn)軸和振動板等機械零件上，也存在一種對稱的循環(huán)應(yīng)力，在某些嚴酷的工作條件下。這種循環(huán)應(yīng)力在短時間內(nèi)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(tài)能診斷

隨著現(xiàn)代科技的日益發(fā)展，研制具有良好抗環(huán)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(huán)境斷裂重點實驗室。這個實驗室的任務(wù)是專門從事材料的斷裂和環(huán)境斷裂的宏觀規(guī)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(huán)境斷裂重點實驗室配備有原子顯微鏡，可以研究拉伸狀態(tài)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(lǐng)更為奇特，可以用于研究腐蝕或液體狀態(tài)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(shè)備。

環(huán)境斷裂重點實驗室成立以來，承擔了“金屬材料斷裂規(guī)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(huán)境斷裂實驗室不僅在基礎(chǔ)理論研究上取得了豐碩的成果，在將理論知識轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力方面也做出了一定的成績。研究人員開發(fā)出C90抗硫化氫石油套管，質(zhì)量優(yōu)于日本同級別的鋼管。不僅填補了國內(nèi)空白，還可以取代進口產(chǎn)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(chǎn)的臨界氫濃度。在煉鋼時加以控制，從而保證連續(xù)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(xiàn)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(chǎn)生“金屬疲勞破壞”，材料工程人員要對材料在工作中的應(yīng)力狀況有十分透徹的了解，避免任何會導致應(yīng)力集中的設(shè)計方案。其次，提高產(chǎn)品的表面光潔度能有效防止材料因應(yīng)力集中而出現(xiàn)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(lǐng)，延長使用壽命。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)已出現(xiàn)“金屬免疫療法”新技術(shù)，以抵抗疲勞損壞。此外，在金屬構(gòu)件上，應(yīng)盡量減少薄弱環(huán)節(jié)，還可以用一些輔助性工藝增加表面光潔度，以免發(fā)生銹蝕。對產(chǎn)生震動的機械設(shè)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(nèi)部結(jié)構(gòu)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(tǒng)”，可以制造“不知疲倦”的長壽金屬?！凹す忮N敲擊系統(tǒng)”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(nèi)發(fā)出的能量可達lO億瓦。將如此巨大的能量在極短的時間內(nèi)聚集到一小塊金屬上，可以產(chǎn)生極強的沖擊波，將金屬內(nèi)部的原子擠壓得更緊密，使金屬結(jié)構(gòu)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(chǎn)生5次高能脈沖。研究人員經(jīng)過對比驗證，“激光敲擊”技術(shù)處理過的發(fā)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(fā)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(guān)節(jié)?！凹す忮N”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(yīng)用前景。

責任編輯龐云