無獨有偶,2002年,一架由我國臺灣飛往香港的波音747客機在澎湖附近海域解體墜毀,造成包括機組成員在內共225人不幸罹難。
事后調查認為,飛機上一塊修補過的蒙皮發生了嚴重的金屬疲勞開裂,造成機尾脫落,最終導致飛機因艙體失壓而解體。
看到這里,不少小伙伴都會疑惑:
F-15戰機機頭與機身分離及飛行員彈射出艙過程 F-15戰機機頭與機身分離及飛行員彈射出艙過程
F-15的飛行事故就是由圖中縱梁的疲勞引發的
生活經驗告訴我們,要想徒手拉斷鐵絲是非常困難的,但如果反復折幾下卻很容易折斷。
這表明,即使反復變化的外力遠小于能將金屬直接拉斷的恒力,也會使它的機械性能逐漸變弱并最終損毀。
金屬的這種現象和人在長期工作下的疲勞非常像,科學家們便形象地稱其為“金屬疲勞”。
金屬疲勞示例
雖然很多人都沒聽過金屬疲勞的事兒,但它卻廣泛潛伏在人們的日常生活中,常常引發出人意料的嚴重事故。據估計,約90%的機械事故都和金屬疲勞有關。
正所謂“黃金無足色,白璧有微瑕”,我們目前所用的金屬并非是完美的,在加工或使用的過程中,金屬總會存在一些缺陷,比如內部有雜質或孔洞、表面有劃痕。這些缺陷往往只有微米量級,很難通過肉眼觀察,如果給金屬施加一個不變的拉力,它們并不容易產生裂縫。
可如果外力是反復變化的,一會兒是拉力一會兒是壓力,一部分能量就會轉換成熱,積累在金屬內部,一旦超過某個限度,金屬就很容易在缺陷處發生原子間的化學鍵斷裂,導致結構開裂。
顯微鏡觀測到的金屬缺陷及起始于該缺陷的金屬疲勞開裂過程
人如果過度疲勞,常會引發疾病甚至死亡,金屬如果疲勞了,則會帶來更大的危害,甚至造成群體傷亡。
除了前文提到的飛行事故,輪船、列車、橋梁、汽車等也常因金屬疲勞招致災難:
二戰期間,美國的5000艘貨船發生了近1000次金屬疲勞事故,200多艘貨船徹底歇菜;1998年,德國一列高速行駛的動車因車輪輪箍的疲勞斷裂而脫軌,造成100余人死亡……
1998年,因車輪輪箍的疲勞斷裂造成了德國史上最嚴重的列車事故
由于金屬疲勞是較小的外力反復長期作用的結果,金屬在開裂前基本沒有明顯的塑性變形,因此往往很難提前發現金屬的疲勞。
經過科學家們的不懈努力,如今已有多種方法可以檢測金屬的疲勞,超聲波、紅外線、γ射線等都能對金屬進行體檢。
日本的科學家還發明了一種摻入鈦酸鉛粉末的特殊涂料,在敲擊金屬時,金屬表面的涂料薄膜中會有電流通過,且電流的大小和金屬的疲勞程度有關,通過測量這股電流,便可知道金屬究竟有多“累”。
為了減少金屬疲勞事故的發生,科學家們在金屬的制備和使用過程中也做足了功夫。
我們在生活中接觸到的機械幾乎都是用合金制成的,而很少采用單一金屬,這是由于合金中的幾種物質能填補彼此的空隙,有效提高金屬抵抗疲勞的能力。
在加工和使用金屬零件時,保持表面光潔、遠離腐蝕環境,也能有效減少疲勞的發生。
盡管如此,由于影響因素非常復雜,如今想要完全避免金屬疲勞仍是不可能的,科學家們的研究之路依舊漫長。