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，美國空軍的一架F-15戰(zhàn)斗機(jī)在模擬空戰(zhàn)時就出現(xiàn)了如此驚險的一幕。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，一架由我國臺灣飛往香港的波音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，不少小伙伴都會疑惑：

人累了會疲勞，怎么金屬也會疲勞？

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的飛行事故就是由圖中縱梁的疲勞引發(fā)的

生活經(jīng)驗告訴我們，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，約90%的機(jī)械事故都和金屬疲勞有關(guān)。

看似堅硬的金屬為什么會疲勞呢？

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，很難通過肉眼觀察，如果給金屬施加一個不變的拉力，它們并不容易產(chǎn)生裂縫。

可如果外力是反復(fù)變化的，一會兒是拉力一會兒是壓力，一部分能量就會轉(zhuǎn)換成熱，積累在金屬內(nèi)部，一旦超過某個限度，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，常會引發(fā)疾病甚至死亡，金屬如果疲勞了，則會帶來更大的危害，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，德國一列高速行駛的動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。

難道我們就對金屬疲勞束手無策了嗎？

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金屬的疲勞，超聲波、紅外線、γ射線等都能對金屬進(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，金屬表面的涂料薄膜中會有電流通過，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)家們在金屬的制備和使用過程中也做足了功夫。

我們在生活中接觸到的機(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，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。