书城童书化学探谜
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第29章 金属“疲劳”

谈到金属疲劳,大家一定觉得很奇怪,难道金属也会疲劳吗?会的,它跟人一样,超过了一定限度,就会疲劳。

不妨我们用铁丝做个实验,如果直着去拉,那是很难折断的,但要是反复弯折,就很容易弄断了。这说明,像钢铁这样的金属,在反复变化的外力作用下,它的强度要比在不变外力作用下小得多。人们便把这种现象叫做金属疲劳。

金属虽然像人一样会发生疲劳,但却同人的疲劳有着本质的区别。人疲劳后,经过一定的休息就可以恢复,而金属疲劳则永远不能恢复,因而造成许多恶性破坏事件,如轮船沉没、飞机坠毁、桥梁倒塌等。据估计,在现代机器设备中,有80~90%或零部件的损坏,都是由金属的疲劳造成的。因为金属部件所受的外力超过一定限度,在材料内部抵抗最弱的地方,会出现人眼察觉不到的裂纹。如果部件所受外力不变,微小的裂纹就不会发展,材料也不易损坏。如果部件所受的是一种方向或大小经常重复变化的外力,那么,金属材料内部的微小裂纹就会时而张开,时而相压,时而互相研磨,使裂纹扩大和发展。当裂纹扩大到一定程度,金属材料被削弱到不再能承担外力时,只要有一点偶然的冲击,零部件就会发生断裂。所以,金属疲劳造成的破坏,往往都是突如其来,没有明显的迹象让人察觉。

金属“疲劳”一词,最早是由法国学者J·—V彭赛提出来的。但对金属疲劳进行研究的,则是德国科学家A·沃勒,他在19世纪50年代,就发现了表现金属疲劳特性的S—.曲线,并提出了疲劳极限的概念。尽管对金属疲劳的研究已经有100多年了,做为综合性的应用学科,已经从物理学的固体力学和金属物理学领域中分离出来,但许多问题仍没有得到解决。

现在,人们对金属的疲劳问题仍在不懈地探索着。其中人们最为关注的,是如何对现代化工业设备采取预防和保护措施,防患于未然。比如,选择具有较高抗疲劳性能的材料,防止应力集中,合理布局结构,提高构件表面加工质量和采用一些新技术和新工艺等。

再就是从理论上探讨金属疲劳造成破坏的原理是什么。在这方面,科学家们进行了各种各样的分析和研究。在疲劳破坏机理研究中,就有人提出循环软化、滑移、位错、空洞合并和拉链等说法。在疲劳积累损伤方面,目前已建立了几十种损伤理论,包括线性理论、修正理论经验公式和半经验公式等;在疲劳裂纹扩展方面,已提出了几十个裂纹扩展公式。但这些观点和实验方法,都具有很大的局限性和片面性,还需科学家们付出更大的辛劳和努力。

金属疲劳问题,是现代工业面临的大敌,如不及时解决,将会遗患无穷。所以,现在世界各国的科学家,都在进行不懈的努力,设法克服这种疑难。相信在不远的将来,这方面的研究会有重大的突破。