打盹的金屬

楊先碧

2011年4月1日下午，美國(guó)一架波音737客機(jī)緊急降落在亞利桑那州的一座軍事基地。乘坐這次航班的布倫達(dá)·里斯回憶道，她當(dāng)時(shí)聽(tīng)到一陣“類似槍聲”的聲音，隨后氧氣面罩落下，飛機(jī)突然下墜，一些乘客因缺氧而昏倒。飛機(jī)在5分鐘內(nèi)急降7600米，所幸成功迫降，僅有一名空乘人員受輕傷。事故發(fā)生后，航空安全專家趕赴現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢查。檢查結(jié)果顯示，這次事故是因機(jī)身破損引起的，機(jī)身中段上方出現(xiàn)了一個(gè)長(zhǎng)達(dá)1.8米的破洞。

安全專家表示，機(jī)身出現(xiàn)破洞是由于金屬疲勞現(xiàn)象引起的。人累了就會(huì)有疲勞的感覺(jué)，金屬也會(huì)產(chǎn)生疲勞。人過(guò)度疲勞后會(huì)引發(fā)身體的疾病甚至死亡，而金屬疲勞則會(huì)造成更大的傷害，它可能導(dǎo)致群體的傷亡！這絕不是危言聳聽(tīng)。倘若這架美國(guó)飛機(jī)的破損位置在發(fā)動(dòng)機(jī)或機(jī)翼等關(guān)鍵部位，那么將很可能發(fā)生重大安全事故。歷史上，一些大橋的斷裂、房屋的倒塌、車禍、飛機(jī)失事等災(zāi)難的罪魁禍?zhǔn)锥际墙饘倨凇?/p>

金屬為何會(huì)疲勞

1998年6月3日，德國(guó)一列動(dòng)車在高速行駛中突然出軌，造成100多人遇難身亡。事后經(jīng)過(guò)調(diào)查，人們發(fā)現(xiàn)，事故竟是因?yàn)橐还?jié)車廂的車輪內(nèi)部金屬疲勞斷裂而引起的。一個(gè)小小的金屬疲勞，竟導(dǎo)致了這場(chǎng)近50年來(lái)德國(guó)最慘重的鐵路事故。我們只知道金屬有使用壽命，卻不知道金屬也需要休息，那么金屬為何會(huì)疲勞呢？

讓我們先來(lái)做一個(gè)小實(shí)驗(yàn)：找一把鋁合金湯匙，然后從湯匙柄的根部將湯匙微微彎曲數(shù)次，最后金屬柄就會(huì)斷裂。就像人過(guò)度疲勞會(huì)生病一樣，金屬柄在經(jīng)過(guò)多次扭曲彎折后也會(huì)因疲勞而斷裂。正是因?yàn)榻饘俚倪@一特性，才會(huì)有許多所謂的“氣功大師”通過(guò)彎折湯匙來(lái)展現(xiàn)他們的“特異功能”。

人的疲勞感來(lái)自于長(zhǎng)期的勞累或一次過(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。正常使用機(jī)械時(shí)，重復(fù)的推、拉、扭或其他的外力作用都會(huì)造成機(jī)械部件中金屬的疲勞。這是因?yàn)闄C(jī)械受壓時(shí)，金屬中原子的排列會(huì)大大改變，過(guò)強(qiáng)的壓力會(huì)使金屬原子間的化學(xué)鍵斷裂，從而導(dǎo)致金屬裂開(kāi)。

為金屬做“體檢”

早在100多年前，人們就發(fā)現(xiàn)了金屬疲勞的危害。由于當(dāng)時(shí)技術(shù)落后，人們還不能查明金屬疲勞的原因。在第二次世界大戰(zhàn)期間，美國(guó)的5000艘貨船共發(fā)生1000多次事故，其中有238艘完全報(bào)廢，主要原因就要?dú)w咎于金屬的疲勞。

直到電子顯微鏡問(wèn)世之后，人類在揭開(kāi)金屬疲勞秘密的道路上開(kāi)始不斷取得新的成果，才總結(jié)出一些發(fā)現(xiàn)和消除金屬疲勞的手段。

科學(xué)研究表明，金屬疲勞并非完全難以檢測(cè)。近年來(lái)，科學(xué)檢測(cè)手段的應(yīng)用已經(jīng)避免了不少因金屬疲勞而可能發(fā)生的事故?？茖W(xué)家證實(shí)，在日常生活中，一些容易被我們忽視的現(xiàn)象正是金屬疲勞的一種征兆，例如汽車剎車失靈，橋梁發(fā)生異動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)爆裂……所以，當(dāng)工程師設(shè)計(jì)飛機(jī)、汽車、橋梁或其他機(jī)械時(shí)，都必須考慮到金屬疲勞問(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。

所有的金屬表面都存在微小缺陷，但絕大部分都是肉眼難以看見(jiàn)的。這些瑕疵會(huì)使應(yīng)力在該處產(chǎn)生，從而導(dǎo)致金屬開(kāi)始斷裂，所以當(dāng)負(fù)載過(guò)重或是多次猛烈晃動(dòng)時(shí)，都會(huì)導(dǎo)致金屬疲勞?，F(xiàn)在，冶金學(xué)家使用顯微鏡來(lái)檢視一些金屬表面的瑕疵，他們將研究一種保護(hù)方法，以免使金屬疲勞。

在使用金屬部件時(shí)，工程師必須測(cè)試金屬的結(jié)構(gòu)，用電子計(jì)量器測(cè)量壓力以及因壓力對(duì)金屬器件造成的傷害。冶金學(xué)家通過(guò)研究金屬的破裂狀況，能更加了解金屬的結(jié)構(gòu)，以便研究如何減少金屬破裂的概率。

日本原子能研究所的研究人員還研制出了一種“聰明涂料”，這種涂料乍看之下和普通涂料沒(méi)什么區(qū)別，但卻摻入了鈦酸鉛粉末。當(dāng)人們敲擊涂有“聰明涂料”的金屬板時(shí)，涂膜中會(huì)產(chǎn)生電流，這股電流可以幫助研究人員分析金屬疲勞程度的信息。

讓金屬“強(qiáng)身健體”

在如今這個(gè)機(jī)器時(shí)代，如何防止金屬疲勞顯得尤為重要。好在人們已經(jīng)掌握了一些改進(jìn)和強(qiáng)化金屬的方法，可以適當(dāng)提高金屬的“健康”程度，盡量讓金屬少出現(xiàn)“疲勞”現(xiàn)象。

古人也懂得通過(guò)“鍛煉”讓金屬變得“強(qiáng)壯”，所謂“百煉成鋼”就是這個(gè)道理。而“鍛煉”一詞原本就來(lái)源于人們對(duì)金屬的鍛造。鍛煉金屬的方法非常簡(jiǎn)單，就是熱處理，例如對(duì)鋼不斷回火和捶打，使其韌化，從而實(shí)現(xiàn)更加“健康”。

當(dāng)然，在設(shè)計(jì)機(jī)械的過(guò)程中，一些微小改變也會(huì)有明顯的作用。比如，減少開(kāi)孔、挖槽和切口，盡可能地消除零件上的薄弱環(huán)節(jié)；提高零件表面的光潔度，保護(hù)表面不受生銹腐蝕之害；對(duì)零件表面進(jìn)行強(qiáng)化處理，碾壓零件的表面，使材料表面強(qiáng)化，從而不易產(chǎn)生微細(xì)裂紋等。

此外，還有一種方法能使金屬更加“強(qiáng)壯”——向單一金屬中摻入其他物質(zhì)，填補(bǔ)金屬原子間的空隙和瑕疵。如果摻入的物質(zhì)是金屬，就可以制造出合金，兩種金屬能夠相互填充彼此的空隙而使金屬?gòu)?qiáng)度增強(qiáng)。例如，在鋼中加入碳，可以制造出高強(qiáng)度的碳鋼。當(dāng)然，在金屬材料中添加各種“維生素”，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入微量的稀土元素，就可以大大提高這些金屬抗疲勞的本領(lǐng)，延長(zhǎng)其使用壽命。

隨著科技的進(jìn)步，人們已經(jīng)研制出更多含有金屬的復(fù)合材料，如金屬和玻璃纖維或塑料的合成物。這些復(fù)合材料不但能讓金屬保留原有的強(qiáng)度，更能增加纖維和塑料的韌性，使這種復(fù)合材料不再輕易疲勞。