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飞机头断裂、动车脱轨,灾难频发:原来金属也会累

4年前浏览7414
你能想象飞机在飞行过程中机头突然断掉的情形吗?2007年,美国空军的一架F-15战斗机在模拟空战时就出现了如此惊险的一幕。这次事故造成美军F-15战机大面积停飞,而调查结果显示,事故起因于飞机上的一根金属纵梁发生了疲劳。

无独有偶,2002年,一架由我国台湾飞往香港的波音747客机在澎湖附近海域解体坠毁,造成包括机组成员在内共225人不幸罹难。
事后调查认为,飞机上一块修补过的蒙皮发生了严重的金属疲劳开裂,造成机尾脱落,最终导致飞机因舱体失压而解体。

看到这里,不少小伙伴都会疑惑:
人累了会疲劳,怎么金属也会疲劳?
 F-15战机机头与机身分离及飞行员弹射出舱过程

 F-15的飞行事故就是由图中纵梁的疲劳引发的
生活经验告诉我们,要想徒手拉断铁丝是非常困难的,但如果反复折几下却很容易折断。
这表明,即使反复变化的外力远小于能将金属直接拉断的恒力,也会使它的机械性能逐渐变弱并最终损毁。
金��的这种现象和人在长期工作下的疲劳非常像,科学家们便形象地称其为“金属疲劳”。
金属疲劳示例
实践证明,金属疲劳是十分普遍的现象,在人们的日常生活中也常发生,如打水时压水井杆断裂、炒菜时铝铲折断、挖地时铁锨断裂。据研究,80%以上的机械零件损坏是由金属疲劳造成的。历史上也曾发生过多次因金属疲劳而引发的大桥断裂、车祸、飞机失事等重大事故。

金属为什么会疲劳?
正所谓“黄金无足色,白璧有微瑕”,我们目前所用的金属并非是完美的,在加工或使用的过程中,金属总会存在一些缺陷,比如内部有杂质或孔洞、表面有划痕。这些缺陷往往只有微米量级,很难通过肉眼观察,如果给金属施加一个不变的拉力,它们并不容易产生裂缝。
但金属的受力并不是完全均匀的,应力传递过程中处于非平衡状态,某些区域还会成为应力集中点。当外力反复变化,一会儿拉力一会儿压力,在承受外力的连续作用下,金属内部的微裂纹会逐渐变大,内部传递应力的部分会逐渐减少。当最终不能再继续传递应力时,金属就很容易在缺陷处发生原子间的化学键断裂,导致结构开裂,从而发生断裂。

显微镜观测到的金属缺陷及起始于该缺陷的金属疲劳开裂过程
人如果过度疲劳,常会引发疾病甚至死亡,金属如果疲劳了,则会带来更大的危害,甚至造成群体伤亡。
除了前文提到的飞行事故,轮船、列车、桥梁、汽车等也常因金属疲劳招致灾难:
二战期间,美国的5000艘货船发生了近1000次金属疲劳事故,200多艘货船彻底歇菜;1998年,德国一列高速行驶的动车因车轮轮箍的疲劳断裂而脱轨,造成100余人死亡……
 1998年,因车轮轮箍的疲劳断裂造成了德国史上最严重的列车事故
由于金属疲劳是较小的外力反复长期作用的结果,金属在开裂前基本没有明显的塑性变形,因此往往很难提前发现金属的疲劳。

如何发现金属疲劳?
金属疲劳是一个十分复杂的过程,从微观到宏观,受到众多因素的影响,尤其是对材料和构件静力强度影响很小的因素,对疲劳影响却非常显著,例如构件的表面缺陷,应力集中等。
虽然金属疲劳想要完全避免是不可能的,但科学研究表明,金属疲劳可以预先检测出来。
日本的���学家发明了一种掺入钛酸铅粉末的特殊涂料,在敲击金属时,金属表面的涂料薄膜中会有电流通过,且电流的大小和金属的疲劳程度有关,通过测量这股电流,便可知道金属究竟有多“累”。
此外,超声波、红外线、射线等都能对金属进行体检。近年来,通过各种检测手段避免了很多因金属疲劳而可能发生的事故。比如利用X射线衍射法,就可检测出由于应力集中诱发的金属疲劳。在零构件成型服役前,甚至在制造过程中,通过检测手段发现应力集中现象,并采取措施均化应力,能有效杜绝疲劳破坏。
(北京翔博科技的应力检测设备)

除了必要的检测手段,为了避免金属疲劳,应尽量减少金属器件上的薄弱区域,往往疲劳断裂就发生在这些区域,比如开孔、挖槽、切口等。再则,要提高金属器件的表面光洁度,避免产生腐蚀生锈,否则会引发表面损伤。通过对金属器件表面进行强化处理可提高强度,比如通过辗压的方式达到表面强化,避免产生微裂纹,从而减小金属疲劳产生的几率。
在金属器件的设计上也可避免金属疲劳引发的事故,比如在薄弱区域采用复式结构,有一个零部件被破坏,备用零件可暂时承受外力。
为了减少金属疲劳事故的发生,科学家们在金属的制备和使用过程中也做足了功夫。随着科技的发展,材料的创新研发日新月异,目前已研制出多种含有金属的复合材料,这是由于合金中的几种物质能填补彼此的空隙,有效提高金属抵抗疲劳的能力。
金属疲劳影响因素复杂,除去必要的检测手段,结合工艺方案改造、材料的更新研发,抗击金属疲劳这条路,依旧漫长。


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首次发布时间:2020-08-21
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