金属的疲劳

窦光宇

人们所见到的金属，看起来熠光闪闪、铮铮筋骨，被广泛用来制作机器、兵刃、舰船、飞机等等。其实，金属也有它的短处，在各种外力的反复作用下，可以产生疲劳状态。而且，一旦产生疲劳，很容易造成十分严重的后果。

金属疲劳危害大

2002年5月25日，华航C1611班次波音747-200型客机，由台北中正机场飞往香港途中，坠毁在澎湖外海，事故造成机上225名旅客及机组人员全部罹难。科学家经过考察和分析后判定，飞机失事的原因主要是由于制作飞机的金属材料产生疲劳损坏而引起。

金属疲劳是十分普遍的现象。仅在1938～1942年的4年时间里，世界各国便有40座桥梁因金属疲劳而损坏。自第二次世界大战以来，世界上已有几千艘船舶毁于金属疲劳破坏。1954年，英国的慧星号飞机从罗马起飞，金属疲劳造成机身突然粉碎，几十名旅客和机组人员全部葬身于大海。1995年12月，日本福井县敦贺市一台运转中的高速核反应堆，由于二次冷却系统热电偶装置的不锈钢板在高温下发生金属疲劳，导致作为核反应堆冷却剂的钠泄漏，并引发火灾。日本新干线山阳段的一处隧道，也发生因结构材料中钢材“疲劳”，造成隧道崩塌。1998年6月3日，德国一列高速列车在行驶中突然出轨，造成100多人遇难身亡的严重后果。事后经过调查，人们发现，造成事故的原因竟然是因为一节车厢的车轮内部疲劳断裂而引起的。

至于工、农业生产中发生的齿轮、弹簧、轴承、螺栓、铆钉等零件的疲劳破坏更是数不胜数。据150多年来的统计，金属部件中有80％以上的损坏是由于疲劳而引起的。在人们的日常生活中，也同样会发生金属疲劳带来危害的现象。自行车突然前叉折断，造成车翻人伤的后果；炒菜时铝铲折断，挖地时铁锨、铁镐断裂的现象更是履见不鲜。金属疲劳具有不易预测的突发性，往往让人措手不及。

金属为啥会“疲劳”?

好端端的金属为啥会“疲劳”呢?大家知道，金属的破坏有两种形式，即断裂和疲劳。金属材料断裂分脆性断裂和韧性断裂，韧性断裂又称塑性断裂。通常，材料工程师总希望材料即使发生断裂，也是塑性断裂而不是脆性断裂，这是因为材料在塑性断裂造成破坏以前，总可以发现断裂的迹象，尤其是对像航空器这样的特种机械，定期例行的材料检查是十分严格的。另外，塑性断裂消耗能量。因此，具有冲击破坏力的能量可以被消耗掉。那么，材料在什么情况下会产生脆性断裂呢?以钢材为例，存在一个转变温度，在转变温度以下，钢材发生脆性断裂，而在转变温度以上，钢材发生韧性断裂。由于脆性断裂只消耗少量的能量，因此，低温下钢材的脆性断裂会酿成巨大灾难。在第二次世界大战期间，由于人们对钢材的转变温度缺乏了解，船舶大量采用钢板整体焊接，当一些船舶在冬季航行时，往往发生船体钢板脆性断裂，导致船舶迅速解体。

再来看看金属疲劳的情况，人们把金属长期处在严酷工作条件下引起的破坏称为“金属疲劳”。为什么金属疲劳时会产生破坏作用呢?这是因为金属内部结构并不均匀，从而造成应力传递的不平衡，有的地方会成为应力集中区。与此同时，金属内部的缺陷处还存在许多微小的裂纹。在力的持续作用下，裂纹会越来越大，材料中能够传递应力的部分越来越少，直至剩余部分不能继续传递负载时。金属构件就会全部毁坏。

最常见的金属疲劳是由“循环应力”引起的。大家知道，假如要想折断手中一块薄钢片，而又找不到合适的工具，那么，最简单的方法就是将这片钢片大幅度地反复折叠。同样道理，在金属制成的旋转轴和振动板等机械零件上，也存在一种对称的循环应力，在某些严酷的工作条件下。这种循环应力在短时间内可以达到甚至超过材料的破坏极限，从而引起金属疲劳破坏。

疲劳状态能诊断

随着现代科技的日益发展，研制具有良好抗环境断裂的新材料、新工艺是材料科学亟待解决的问题。我国于1999年正式成立了环境断裂重点实验室。这个实验室的任务是专门从事材料的断裂和环境断裂的宏观规律和微观机理研究，提出含裂纹材料的裂纹止裂和愈合的机理和措施。

环境断裂重点实验室配备有原子显微镜，可以研究拉伸状态下原子层次和纳米层次的微观变化；还有纳米力学探针，可以研究微牛顿量级的纳米压痕和纳米划痕，并可利用SPM原位成像：至于电化学扫描隧道显微镜，本领更为奇特，可以用于研究腐蚀或液体状态下的原子行为。此外，还配有液体纳米力学划痕仪、UMT摩擦磨损试验机，以及测定慢拉伸疲劳、腐蚀疲劳的机电化学设备。

环境断裂重点实验室成立以来，承担了“金属材料断裂规律及机理的研究”、“若干腐蚀重大问题的研究”、“材料损伤断裂机理与宏微观力学理论”等多项国家自然科学基金课题及十多个重大项目。环境断裂实验室不仅在基础理论研究上取得了丰硕的成果，在将理论知识转化为生产力方面也做出了一定的成绩。研究人员开发出C90抗硫化氢石油套管，质量优于日本同级别的钢管。不仅填补了国内空白，还可以取代进口产品。研究人员通过研究氢在重轨钢体中的行为过程，确定了安全生产的临界氢浓度。在炼钢时加以控制，从而保证连续轧制处理的正常运行。

解除疲劳有妙方

显微镜和电子显微镜相继出现之后，使人类在揭开金属疲劳秘密的道路上不断取得新的成果，并且有了巧妙的办法来对付这个大敌。

避免材料产生“金属疲劳破坏”，材料工程人员要对材料在工作中的应力状况有十分透彻的了解，避免任何会导致应力集中的设计方案。其次，提高产品的表面光洁度能有效防止材料因应力集中而出现细裂纹。当然，对像飞机这样复杂的航空机械来说，影响其材料整体安全的原因是极其复杂的，因此，提高其每一零部件的安全可靠性能也就显得格外重要。

在金属材料中添加各种“维生素”是增强金属抗疲劳的有效办法。例如，在钢铁和有色金属里，加进万分之几甚至千万分之几的稀土元素，就可以大大提高这些金属抗疲劳的本领，延长使用寿命。随着科学技术的发展，现已出现“金属免疫疗法”新技术，以抵抗疲劳损坏。此外，在金属构件上，应尽量减少薄弱环节，还可以用一些辅助性工艺增加表面光洁度，以免发生锈蚀。对产生震动的机械设备要采取防震措施，以减少金属疲劳的可能性。在必要的时候，要进行对金属内部结构的检测，对防止金属疲劳也很有好处。

美国劳伦斯利沃摩尔国家实验室，研制出“激光锤敲击系统”，可以制造“不知疲倦”的长寿金属。“激光锤敲击系统”的过人之处是使用新型钕激光。这种激光功率强大，可以在20毫微秒(1毫微秒相当于10亿分之一秒)内发出的能量可达lO亿瓦。将如此巨大的能量在极短的时间内聚集到一小块金属上，可以产生极强的冲击波，将金属内部的原子挤压得更紧密，使金属结构变得均匀，并消除那些在高强度使用下导致断裂的微小裂缝。这种“激光锤”形成的压力可以达到每平方厘米70吨。而且它的速度很快，每秒可以产生5次高能脉冲。研究人员经过对比验证，“激光敲击”技术处理过的发动机叶片。寿命会延长3～5倍。研究证实，“激光锤”不仅可以用来加工用于制造飞机起落架、发动机叶片等部件的金属，还可以加工其他抗疲劳部件，如人造膝盖或人造髋关节。“激光锤”还可以用来制造储存有毒废料的坚固容器和更轻、更坚固的汽车传动装置，有着广阔的应用前景。

责任编辑庞云