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分鐘內急降7 600米，所幸成功迫降，僅1名空乘人員受輕傷。事故發生后，航空安全專家趕赴現場檢查后發現，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，機身會出現破洞，是因為金屬產生了疲勞現象。和人一樣，金屬也會疲勞。當人過度疲勞，會導致個體生病或死亡。而金屬一旦疲勞，其強度會降低，甚至斷裂損毀，從而可能導致某個人類群體的災難！

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。有關部門對飛機的殘骸檢查后發現，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象了。據統計，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次，你會發現，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荷，金屬也一樣。金屬的機械性能會隨著時間而漸漸變弱，這就是金屬的疲勞。在正常使用機械時，重復地推、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生改變，強大的壓力會使金屬原子間的化學鍵斷裂而導致金屬裂開。

為金屬做體檢

由于金屬材料的疲勞一般很難發現，因此常常造成突發事故。不過科學家發現，在汽車剎車突然失靈、飛機發動機突然爆裂、強風使鐵橋崩塌等慘禍發生前，剎車、機身、橋梁上都會產生異常震動，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力在該處產生，一次負載過重或多次猛烈晃動，都會導致金屬產生疲勞而從瑕疵處裂開。不過，現在冶金學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，并據此研究保護金屬的方法，以避免金屬產生疲勞。

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，定期檢測涂膜中產生的電流，一旦發現電流異常，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在人們已經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，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合材料，如金屬和玻璃纖維或塑料的合成物。這些復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，在設計機械時，應盡量消除零件上的薄弱環節，減少開孔、挖槽、切口等，因為疲勞裂紋常常發生在這些地方；應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生，從而避免可能發生的金屬疲勞事故。