金屬的疲勞

竇光宇

人們所見到的金屬，看起來(lái)熠光閃閃、錚錚筋骨，被廣泛用來(lái)制作機(jī)器、兵刃、艦船、飛機(jī)等等。其實(shí)，金屬也有它的短處，在各種外力的反復(fù)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(yán)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(jī)，由臺(tái)北中正機(jī)場(chǎng)飛往香港途中，墜毀在澎湖外海，事故造成機(jī)上225名旅客及機(jī)組人員全部罹難。科學(xué)家經(jīng)過考察和分析后判定，飛機(jī)失事的原因主要是由于制作飛機(jī)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(shí)間里，世界各國(guó)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(lái)，世界上已有幾千艘船舶毀于金屬疲勞破壞。1954年，英國(guó)的慧星號(hào)飛機(jī)從羅馬起飛，金屬疲勞造成機(jī)身突然粉碎，幾十名旅客和機(jī)組人員全部葬身于大海。1995年12月，日本福井縣敦賀市一臺(tái)運(yùn)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(dǎo)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(yáng)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(guó)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(yán)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?yàn)橐还?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(lái)的統(tǒng)計(jì)，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(huì)發(fā)生金屬疲勞帶來(lái)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(shí)鋁鏟折斷，挖地時(shí)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(yù)測(cè)的突發(fā)性，往往讓人措手不及。

金屬為啥會(huì)“疲勞”?

好端端的金屬為啥會(huì)“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?yàn)椴牧显谒苄詳嗔言斐善茐囊郧?，總可以發(fā)現(xiàn)斷裂的跡象，尤其是對(duì)像航空器這樣的特種機(jī)械，定期例行的材料檢查是十分嚴(yán)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(huì)產(chǎn)生脆性斷裂呢?以鋼材為例，存在一個(gè)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(huì)釀成巨大災(zāi)難。在第二次世界大戰(zhàn)期間，由于人們對(duì)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(dāng)一些船舶在冬季航行時(shí)，往往發(fā)生船體鋼板脆性斷裂，導(dǎo)致船舶迅速解體。

再來(lái)看看金屬疲勞的情況，人們把金屬長(zhǎng)期處在嚴(yán)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(shí)會(huì)產(chǎn)生破壞作用呢?這是因?yàn)榻饘賰?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(huì)成為應(yīng)力集中區(qū)。與此同時(shí)，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(huì)越來(lái)越大，材料中能夠傳遞應(yīng)力的部分越來(lái)越少，直至剩余部分不能繼續(xù)傳遞負(fù)載時(shí)。金屬構(gòu)件就會(huì)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(jiǎn)單的方法就是將這片鋼片大幅度地反復(fù)折疊。同樣道理，在金屬制成的旋轉(zhuǎn)軸和振動(dòng)板等機(jī)械零件上，也存在一種對(duì)稱的循環(huán)應(yīng)力，在某些嚴(yán)酷的工作條件下。這種循環(huán)應(yīng)力在短時(shí)間內(nèi)可以達(dá)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(xué)亟待解決的問題。我國(guó)于1999年正式成立了環(huán)境斷裂重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。這個(gè)實(shí)驗(yàn)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(jī)理研究，提出含裂紋材料的裂紋止裂和愈合的機(jī)理和措施。

環(huán)境斷裂重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(xué)探針，可以研究微牛頓量級(jí)的納米壓痕和納米劃痕，并可利用SPM原位成像：至于電化學(xué)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(xué)劃痕儀、UMT摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，以及測(cè)定慢拉伸疲勞、腐蝕疲勞的機(jī)電化學(xué)設(shè)備。

環(huán)境斷裂重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室成立以來(lái)，承擔(dān)了“金屬材料斷裂規(guī)律及機(jī)理的研究”、“若干腐蝕重大問題的研究”、“材料損傷斷裂機(jī)理與宏微觀力學(xué)理論”等多項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金課題及十多個(gè)重大項(xiàng)目。環(huán)境斷裂實(shí)驗(yàn)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(shí)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力方面也做出了一定的成績(jī)。研究人員開發(fā)出C90抗硫化氫石油套管，質(zhì)量?jī)?yōu)于日本同級(jí)別的鋼管。不僅填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，還可以取代進(jìn)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(shí)加以控制，從而保證連續(xù)軋制處理的正常運(yùn)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(lái)對(duì)付這個(gè)大敵。

避免材料產(chǎn)生“金屬疲勞破壞”，材料工程人員要對(duì)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(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中的設(shè)計(jì)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(xì)裂紋。當(dāng)然，對(duì)像飛機(jī)這樣復(fù)雜的航空機(jī)械來(lái)說(shuō)，影響其材料整體安全的原因是極其復(fù)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(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)分之幾甚至千萬(wàn)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(zhǎng)使用壽命。隨著科學(xué)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(duì)產(chǎn)生震動(dòng)的機(jī)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(shí)候，要進(jìn)行對(duì)金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)的檢測(cè)，對(duì)防止金屬疲勞也很有好處。

美國(guó)勞倫斯利沃摩爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，研制出“激光錘敲擊系統(tǒng)”，可以制造“不知疲倦”的長(zhǎng)壽金屬。“激光錘敲擊系統(tǒng)”的過人之處是使用新型釹激光。這種激光功率強(qiáng)大，可以在20毫微秒(1毫微秒相當(dāng)于10億分之一秒)內(nèi)發(fā)出的能量可達(dá)lO億瓦。將如此巨大的能量在極短的時(shí)間內(nèi)聚集到一小塊金屬上，可以產(chǎn)生極強(qiáng)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(qiáng)度使用下導(dǎo)致斷裂的微小裂縫。這種“激光錘”形成的壓力可以達(dá)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(duì)比驗(yàn)證，“激光敲擊”技術(shù)處理過的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片。壽命會(huì)延長(zhǎng)3～5倍。研究證實(shí)，“激光錘”不僅可以用來(lái)加工用于制造飛機(jī)起落架、發(fā)動(dòng)機(jī)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)。“激光錘”還可以用來(lái)制造儲(chǔ)存有毒廢料的堅(jiān)固容器和更輕、更堅(jiān)固的汽車傳動(dòng)裝置，有著廣闊的應(yīng)用前景。

責(zé)任編輯龐云