打盹的金屬

楊先碧

2011年4月1日下午，美國一架波音737客機緊急降落在亞利桑那州的一座軍事基地。乘坐這次航班的布倫達·里斯回憶道，她當時聽到一陣“類似槍聲”的聲音，隨后氧氣面罩落下，飛機突然下墜，一些乘客因缺氧而昏倒。飛機在5分鐘內急降7600米，所幸成功迫降，僅有一名空乘人員受輕傷。事故發生后，航空安全專家趕赴現場進行檢查。檢查結果顯示，這次事故是因機身破損引起的，機身中段上方出現了一個長達1.8米的破洞。

安全專家表示，機身出現破洞是由于金屬疲勞現象引起的。人累了就會有疲勞的感覺，金屬也會產生疲勞。人過度疲勞后會引發身體的疾病甚至死亡，而金屬疲勞則會造成更大的傷害，它可能導致群體的傷亡！這絕不是危言聳聽。倘若這架美國飛機的破損位置在發動機或機翼等關鍵部位，那么將很可能發生重大安全事故。歷史上，一些大橋的斷裂、房屋的倒塌、車禍、飛機失事等災難的罪魁禍首都是金屬疲勞。

金屬為何會疲勞

1998年6月3日，德國一列動車在高速行駛中突然出軌，造成100多人遇難身亡。事后經過調查，人們發現，事故竟是因為一節車廂的車輪內部金屬疲勞斷裂而引起的。一個小小的金屬疲勞，竟導致了這場近50年來德國最慘重的鐵路事故。我們只知道金屬有使用壽命，卻不知道金屬也需要休息，那么金屬為何會疲勞呢？

讓我們先來做一個小實驗：找一把鋁合金湯匙，然后從湯匙柄的根部將湯匙微微彎曲數次，最后金屬柄就會斷裂。就像人過度疲勞會生病一樣，金屬柄在經過多次扭曲彎折后也會因疲勞而斷裂。正是因為金屬的這一特性，才會有許多所謂的“氣功大師”通過彎折湯匙來展現他們的“特異功能”。

人的疲勞感來自于長期的勞累或一次過重的負荷，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。正常使用機械時，重復的推、拉、扭或其他的外力作用都會造成機械部件中金屬的疲勞。這是因為機械受壓時，金屬中原子的排列會大大改變，過強的壓力會使金屬原子間的化學鍵斷裂，從而導致金屬裂開。

為金屬做“體檢”

早在100多年前，人們就發現了金屬疲勞的危害。由于當時技術落后，人們還不能查明金屬疲勞的原因。在第二次世界大戰期間，美國的5000艘貨船共發生1000多次事故，其中有238艘完全報廢，主要原因就要歸咎于金屬的疲勞。

直到電子顯微鏡問世之后，人類在揭開金屬疲勞秘密的道路上開始不斷取得新的成果，才總結出一些發現和消除金屬疲勞的手段。

科學研究表明，金屬疲勞并非完全難以檢測。近年來，科學檢測手段的應用已經避免了不少因金屬疲勞而可能發生的事故。科學家證實，在日常生活中，一些容易被我們忽視的現象正是金屬疲勞的一種征兆，例如汽車剎車失靈，橋梁發生異動，發動機爆裂……所以，當工程師設計飛機、汽車、橋梁或其他機械時，都必須考慮到金屬疲勞問題，并對這些金屬建筑或機械定期進行“體檢”，以確保安全。

所有的金屬表面都存在微小缺陷，但絕大部分都是肉眼難以看見的。這些瑕疵會使應力在該處產生，從而導致金屬開始斷裂，所以當負載過重或是多次猛烈晃動時，都會導致金屬疲勞。現在，冶金學家使用顯微鏡來檢視一些金屬表面的瑕疵，他們將研究一種保護方法，以免使金屬疲勞。

在使用金屬部件時，工程師必須測試金屬的結構，用電子計量器測量壓力以及因壓力對金屬器件造成的傷害。冶金學家通過研究金屬的破裂狀況，能更加了解金屬的結構，以便研究如何減少金屬破裂的概率。

日本原子能研究所的研究人員還研制出了一種“聰明涂料”，這種涂料乍看之下和普通涂料沒什么區別，但卻摻入了鈦酸鉛粉末。當人們敲擊涂有“聰明涂料”的金屬板時，涂膜中會產生電流，這股電流可以幫助研究人員分析金屬疲勞程度的信息。

讓金屬“強身健體”

在如今這個機器時代，如何防止金屬疲勞顯得尤為重要。好在人們已經掌握了一些改進和強化金屬的方法，可以適當提高金屬的“健康”程度，盡量讓金屬少出現“疲勞”現象。

古人也懂得通過“鍛煉”讓金屬變得“強壯”，所謂“百煉成鋼”就是這個道理。而“鍛煉”一詞原本就來源于人們對金屬的鍛造。鍛煉金屬的方法非常簡單，就是熱處理，例如對鋼不斷回火和捶打，使其韌化，從而實現更加“健康”。

當然，在設計機械的過程中，一些微小改變也會有明顯的作用。比如，減少開孔、挖槽和切口，盡可能地消除零件上的薄弱環節；提高零件表面的光潔度，保護表面不受生銹腐蝕之害；對零件表面進行強化處理，碾壓零件的表面，使材料表面強化，從而不易產生微細裂紋等。

此外，還有一種方法能使金屬更加“強壯”——向單一金屬中摻入其他物質，填補金屬原子間的空隙和瑕疵。如果摻入的物質是金屬，就可以制造出合金，兩種金屬能夠相互填充彼此的空隙而使金屬強度增強。例如，在鋼中加入碳，可以制造出高強度的碳鋼。當然，在金屬材料中添加各種“維生素”，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入微量的稀土元素，就可以大大提高這些金屬抗疲勞的本領，延長其使用壽命。

隨著科技的進步，人們已經研制出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。這些復合材料不但能讓金屬保留原有的強度，更能增加纖維和塑料的韌性，使這種復合材料不再輕易疲勞。