給金屬做個體檢吧

楊先碧

2011年4月1日下午，美國西南航空公司一架波音737客機因飛行途中機身破損，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)場檢查后發(fā)現(xiàn)，飛機中段過道上方機身有一個1.8米長的破洞。

機身為什么會有破洞呢？安全專家表示，機身會出現(xiàn)破洞，是因為金屬產(chǎn)生了疲勞現(xiàn)象。和人一樣，金屬也會疲勞。當(dāng)人過度疲勞，會導(dǎo)致個體生病或死亡。而金屬一旦疲勞，其強度會降低，甚至斷裂損毀，從而可能導(dǎo)致某個人類群體的災(zāi)難！

這絕不是危言聳聽。1979年5月25日，一架滿載乘客的美國航空公司DG-10型三引擎巨型噴氣客機，從芝加哥起飛不久，就失去了左邊一臺引擎，隨即著火燃燒，爆炸墜落。機上乘客及機組人員共計273人無一幸免，這是世界航空史上最慘痛的事件之一。有關(guān)部門對飛機的殘骸檢查后發(fā)現(xiàn)，飛機上連接故障引擎與機翼的螺栓因金屬疲勞而折斷，最終導(dǎo)致了這場悲劇。

金屬為何會疲勞

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

人的疲勞感覺來自于長期的勞累或某次過重的負(fù)荷，金屬也一樣。金屬的機械性能會隨著時間而漸漸變?nèi)?，這就是金屬的疲勞。在正常使用機械時，重復(fù)地推、拉、扭或給予其他外力作用，都會造成金屬機械部件的疲勞。這是因為機械受壓時，金屬原子的排列會發(fā)生改變，強大的壓力會使金屬原子間的化學(xué)鍵斷裂而導(dǎo)致金屬裂開。

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。不過科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在汽車剎車突然失靈、飛機發(fā)動機突然爆裂、強風(fēng)使鐵橋崩塌等慘禍發(fā)生前，剎車、機身、橋梁上都會產(chǎn)生異常震動，這實際上就是金屬疲勞的一種征兆。所以，工程師設(shè)計汽車、飛機、橋梁或其他機械時，都必須考慮到金屬的疲勞問題，并對這些金屬建筑或機械定期進行“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，有的則不可見。這些瑕疵都會使得應(yīng)力在該處產(chǎn)生，一次負(fù)載過重或多次猛烈晃動，都會導(dǎo)致金屬產(chǎn)生疲勞而從瑕疵處裂開。不過，現(xiàn)在冶金學(xué)家可以用顯微鏡來檢視金屬表面那些肉眼看不見的瑕疵了，并據(jù)此研究保護金屬的方法，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，涂膜中就會產(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”涂在飛機機翼上，定期檢測涂膜中產(chǎn)生的電流，一旦發(fā)現(xiàn)電流異常，就立即實施緊急精密檢查，及時查明原因，從而排除事故隱患。

讓金屬“強身健體”

在如今這個機器時代和未來的機器人時代，如何防止金屬疲勞顯得尤為重要?，F(xiàn)在人們已經(jīng)掌握了一些強化金屬的方法，提高了金屬的“健康”程度。其實，古人早就知道讓金屬“強壯”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)，填補金屬中的空隙和瑕疵，是人們想到的另外一個辦法。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彌補瑕疵，同時能使金屬強度增高；如果加入碳，則可制造出高強度碳鋼。在金屬材料中添加各種稀有金屬，也是增強金屬抗疲勞的有效辦法。例如在鋼鐵和有色金屬里，加進萬分之幾或千萬分之幾的稀土元素，就可大大提高這些金屬抗疲勞的能力，延長其使用壽命。隨著科技的進步，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金屬的強度，還增加了纖維和塑料的韌性，使得金屬不會再輕易疲勞。

另外，在設(shè)計機械時，應(yīng)盡量消除零件上的薄弱環(huán)節(jié)，減少開孔、挖槽、切口等，因為疲勞裂紋常常發(fā)生在這些地方；應(yīng)提高零件表面的光潔度，減少劃痕，保護表面不受生銹腐蝕之害；還應(yīng)對零件表面進行強化處理，比如輾壓零件表面，使之強化。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。