金属疲劳金属也会“累”?一文概述金属疲劳

2022-02-16 14:01

当人们过度劳累时，他们的身体会感到疲劳。金属怎么会累？看到这个标题自然会引出这样的疑问。

金属也累了

为了说明金属材料疲劳的概念，我们拿一个回形针，用手指把它夹直。不要使用任何工具，试着用手指把它拉下来，即使你尽了最大的努力，你也做不到。但是如果你来回弯曲几次，回形针很容易折断。

这一现象表明金属材料在恒力下比变力下具有更大的强度。在变化的力的作用下，虽然这些力远没有在正常的恒力下破坏物质，但物质还是被破坏了。这种现象称为金属疲劳失效。

随着现代工业的兴起，金属材料的疲劳断裂现象逐渐被发现。在古代，人类建造的结构大多是具有恒定力的静态结构，如房屋建筑和桥梁结构。虽然桥梁也承受可变荷载，但古代桥梁材料的自重远大于桥梁的动荷载，仍可视为承受恒力的结构。

金属疲劳问题的起源和发展

现代工业兴起后，情况大不相同。一是由于金属材料的广泛使用，结构自重大大降低，外荷载的变化更加突出；其次，由于机械工业的兴起，旋转机械和行驶车辆、船舶的载荷多为变载荷，它们所引起的内应力大部分可视为交变应力。因此，由于疲劳断裂事故的频繁发生，逐渐引起了人们的关注和研究。

第一次工业革命后，随着蒸汽机等设备的相继发明，大量断裂事故随之而来。研究发现，在循环荷载作用下，构件的使用寿命远远短于设计寿命，甚至不到设计寿命的一半。之后，进行了一些针对性的研究，金属构件疲劳断裂的面纱逐渐被揭开。从此，人们逐渐了解了疲劳的本质，看到了克服金属疲劳的曙光。

如今，我们的大型设备的部件，如汽车、船舶和飞机，在生产前都是为了抗疲劳而设计的，这在很大程度上保证了设计寿命内的安全性。

安全不是绝对的。随着人们对机械设备的功能要求越来越高、越来越快，其疲劳仍然不可避免。我们经常形容一个人有钢铁般的意志。这说明钢在人们心目中是很坚固的，但如果“累”了，也会坏，人们要多注意金属的疲劳。因为它给金属部件带来的伤害是致命的，是灾难性的。

如何发现金属疲劳？

金属疲劳是一个非常复杂的过程，从微观到宏观，受到很多因素的影响，尤其是那些对材料和构件的静强度影响不大，但对疲劳有非常显著影响的因素，比如表面缺陷和构件的应力集中。

虽然不可能完全避免金属疲劳，但科学研究表明，金属疲劳是可以提前检测到的。

日本科学家发明了一种掺杂钛酸铅粉末的特殊涂层。金属受到撞击时，会有电流通过金属表面的镀膜，电流与金属的疲劳程度有关。通过测量这个电流，我们可以知道金属有多累。

此外，超声波、红外线、射线等。可以对金属进行体检。近年来，各种检测方法避免了许多可能由金属疲劳引起的事故。例如，应力集中引起的金属疲劳可以通过X射线衍射方法来检测。在构件成型服役前，甚至在制造过程中，通过检测手段发现应力集中现象，并采取措施均衡应力，可有效防止疲劳损伤。

除了必要的检测手段之外，为了避免金属疲劳，金属器件上的薄弱区域应该最小化，疲劳断裂往往发生在这些区域，如开口、沟槽、切口等。此外，还需要提高金属器件的表面光洁度，以避免腐蚀和生锈，否则会造成表面损伤。可以通过强化金属器件的表面来提高强度，例如通过轧制来强化表面，从而避免微裂纹，从而降低金属疲劳的概率。

在金属器件的设计中，也可以避免金属疲劳引起的事故。例如，在薄弱区域采用复杂结构时，一部分受损，备件可暂时承受外力。