飞机头断裂、动车脱轨，灾难频发：原来金属也会累

仿真圈

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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。