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飛機(jī)頭突然斷掉:其實(shí)金屬也會(huì)累

 你能想象飛機(jī)在飛行過程中機(jī)頭突然斷掉的情形嗎?2007年,美國(guó)空軍的一架F-15戰(zhàn)斗機(jī)在模擬空戰(zhàn)時(shí)就出現(xiàn)了如此驚險(xiǎn)的一幕。這次事故造成美軍F-15戰(zhàn)機(jī)大面積停飛,而調(diào)查結(jié)果顯示,事故起因于飛機(jī)上的一根金屬縱梁發(fā)生了疲勞。

    無獨(dú)有偶,2002年,一架由我國(guó)臺(tái)灣飛往香港的波音747客機(jī)在澎湖附近海域解體墜毀,造成包括機(jī)組成員在內(nèi)共225人不幸罹難。

    事后調(diào)查認(rèn)為,飛機(jī)上一塊修補(bǔ)過的蒙皮發(fā)生了嚴(yán)重的金屬疲勞開裂,造成機(jī)尾脫落,最終導(dǎo)致飛機(jī)因艙體失壓而解體。

     看到這里,不少小伙伴都會(huì)疑惑:

人累了會(huì)疲勞,怎么金屬也會(huì)疲勞?

  F-15戰(zhàn)機(jī)機(jī)頭與機(jī)身分離及飛行員彈射出艙過程

F-15戰(zhàn)機(jī)機(jī)頭與機(jī)身分離及飛行員彈射出艙過程


F-15的飛行事故就是由圖中縱梁的疲勞引發(fā)的

    生活經(jīng)驗(yàn)告訴我們,要想徒手拉斷鐵絲是非常困難的,但如果反復(fù)折幾下卻很容易折斷。

    這表明,即使反復(fù)變化的外力遠(yuǎn)小于能將金屬直接拉斷的恒力,也會(huì)使它的機(jī)械性能逐漸變?nèi)醪⒆罱K損毀。

    金屬的這種現(xiàn)象和人在長(zhǎng)期工作下的疲勞非常像,科學(xué)家們便形象地稱其為“金屬疲勞”。

金屬疲勞示例

    雖然很多人都沒聽過金屬疲勞的事兒,但它卻廣泛潛伏在人們的日常生活中,常常引發(fā)出人意料的嚴(yán)重事故。據(jù)估計(jì),約90%的機(jī)械事故都和金屬疲勞有關(guān)。

看似堅(jiān)硬的金屬為什么會(huì)疲勞呢?
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    正所謂“黃金無足色,白璧有微瑕”,我們目前所用的金屬并非是完美的,在加工或使用的過程中,金屬總會(huì)存在一些缺陷,比如內(nèi)部有雜質(zhì)或孔洞、表面有劃痕。這些缺陷往往只有微米量級(jí),很難通過肉眼觀察,如果給金屬施加一個(gè)不變的拉力,它們并不容易產(chǎn)生裂縫。

    可如果外力是反復(fù)變化的,一會(huì)兒是拉力一會(huì)兒是壓力,一部分能量就會(huì)轉(zhuǎn)換成熱,積累在金屬內(nèi)部,一旦超過某個(gè)限度,金屬就很容易在缺陷處發(fā)生原子間的化學(xué)鍵斷裂,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂。

顯微鏡觀測(cè)到的金屬缺陷及起始于該缺陷的金屬疲勞開裂過程

    人如果過度疲勞,常會(huì)引發(fā)疾病甚至死亡,金屬如果疲勞了,則會(huì)帶來更大的危害,甚至造成群體傷亡。

    除了前文提到的飛行事故,輪船、列車、橋梁、汽車等也常因金屬疲勞招致災(zāi)難:

    二戰(zhàn)期間,美國(guó)的5000艘貨船發(fā)生了近1000次金屬疲勞事故,200多艘貨船徹底歇菜;1998年,德國(guó)一列高速行駛的動(dòng)車因車輪輪箍的疲勞斷裂而脫軌,造成100余人死亡……

1998年,因車輪輪箍的疲勞斷裂造成了德國(guó)史上最嚴(yán)重的列車事故

    由于金屬疲勞是較小的外力反復(fù)長(zhǎng)期作用的結(jié)果,金屬在開裂前基本沒有明顯的塑性變形,因此往往很難提前發(fā)現(xiàn)金屬的疲勞。

難道我們就對(duì)金屬疲勞束手無策了嗎?
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   經(jīng)過科學(xué)家們的不懈努力,如今已有多種方法可以檢測(cè)金屬的疲勞,超聲波、紅外線、γ射線等都能對(duì)金屬進(jìn)行體檢。

    日本的科學(xué)家還發(fā)明了一種摻入鈦酸鉛粉末的特殊涂料,在敲擊金屬時(shí),金屬表面的涂料薄膜中會(huì)有電流通過,且電流的大小和金屬的疲勞程度有關(guān),通過測(cè)量這股電流,便可知道金屬究竟有多“累”。

    為了減少金屬疲勞事故的發(fā)生,科學(xué)家們?cè)诮饘俚闹苽浜褪褂眠^程中也做足了功夫。

    我們?cè)谏钪薪佑|到的機(jī)械幾乎都是用合金制成的,而很少采用單一金屬,這是由于合金中的幾種物質(zhì)能填補(bǔ)彼此的空隙,有效提高金屬抵抗疲勞的能力。

    在加工和使用金屬零件時(shí),保持表面光潔、遠(yuǎn)離腐蝕環(huán)境,也能有效減少疲勞的發(fā)生。

    盡管如此,由于影響因素非常復(fù)雜,如今想要完全避免金屬疲勞仍是不可能的,科學(xué)家們的研究之路依舊漫長(zhǎng)。


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