人们见到的金属看起来熠光闪闪、铮铮筋骨,好像很结实的样子。其实,金属在各种外力的反复作用下,会产生疲劳状态,而且,一旦金属疲劳就会因为得不到恢复而造成十分严重的后果。
金属部件中有80%以上的损坏是由疲劳引起的。在人们的日常生活中,金属疲劳带来的危害现象同样也会发生。一辆正在马路上行走的自行车突然前闸折断,炒菜时锅铲折断……
那么,金属为什么会发生疲劳破坏呢?原来,金属材料表面或内部微观组织并不是十全十美的。在冶炼、轧制或机械加工中,金属当中往往会产生一些气孔、砂眼、夹碴和划痕等缺陷。缺陷使金属组织不均匀,形成应力集中。
显然,在应力集中区金属的承载能力最小,缺陷处会最先出现裂纹。裂纹使一部分金属失去承载力,余下部分的应力将随着增加。由于金属还有一定的剩余强度,所以,出现裂纹后并不立刻破坏。
但是,在裂纹的端头,必定有尖锐的切口,于是这里形成了新的应力集中区。
在连续使用下,断口继续裂开。这样,裂纹愈来愈大,金属能够传递应力的部分越来越少,直到剩余部分不足以传递载荷时,金属构件就全部崩溃了。因此疲劳是“应力集中——裂缝——新的应力集中——裂纹扩大——构件破坏”的恶性循环过程。
早在100年前,人们就发现疲劳是金属的大敌。但那时还没有仪器能够查明疲劳破坏的原因。显微镜的出现,使人类第一次对金属进行了细致的检查。到20世纪50年代,电子显微镜薄膜技术的发展,促进了这种检查的深入。现在,人们不但初步揭开了金属疲劳的奥秘,还创造了一套妙法来对付这个“大敌”。
为了增强人体的抵抗力,人们往往要吃一些维生素来滋补强身,在金属材料中同样可以采用这个办法提高金属强度。现在,冶金工业已有了许多种“维生素”,它们使许多金属“添劲强身”、“延年益寿”。例如,在钢铁和有色金属里,加进万分之几或千分之几的稀土元素,便可大大提高这些金属抵抗“疲劳”的本领,从而延长其使用寿命。
【科学小链接】
金属疲劳与空难
1954年,英国的一架“慧星式”喷气客机飞临地中海上空。突然“轰”的一声巨响,机身碎裂,坠入地中海,机上人员全部罹难。这一年“慧星式”空中爆炸事件在英国接连发生了两起。1978年5月,美国的一架巨型客机载着270多名乘客和机组人员从芝加哥起飞。起飞后不到一分钟,由于发动机上的一根螺栓突然断裂而使飞机坠地焚毁,机上人员无一幸免。这是美国航空史上屈指可数的空中惨案之一。
事后人们查明,这几起空难起因于同一肇事者——金属“疲劳”。