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人累了会疲劳,金属也会,像人过度疲劳会生病一样。人过度疲劳后会导致个体的生病或死亡,而金属疲劳会造成更大的伤害!这绝不是危言耸听。历史上,一些金属大桥的断裂、房屋的倒塌、车祸、飞机失事,往往都和金属疲劳有关。
金属为何会疲劳
实践证明,金属疲劳是十分普遍的现象。金属部件有80%以上的损坏是由于疲劳引起的。
人的疲劳感觉来自于长期的劳累或一次过重的负荷,金属也是一样。金属的机械性能会随着时间而渐渐变弱,这就是金属的疲劳。在正常使用机械时,重复的推、
拉、扭或其他的外力情况下都会造成机械部件中金属的疲劳。这是因为机械受压时,金属中原子的排列会大大改变,大大的压力会使金属原子间的化学键断裂而导致金属裂开。
为金属做体检
由于金属材料的疲劳一般难以发现,因此常常造成突然事故。早在100多年以前,人们就发现了金属疲劳
给各个方面带来的损害。但由于技术的落后,还不能查明疲劳破坏的原因。直到出现了电子显微镜之后,人类在揭开金属疲劳秘密的道路上取得了新的成果,才开发
出一些发现和消除金属疲劳的手段。
科学研究表明,金属疲劳并非完全难以检测。近年来,应用科学的检测手段避免了不少因金属疲劳而可能发生的事
故。科学家证实,汽车刹车突然失灵而掉下悬崖、飞机发动机突然爆裂、强风使铁桥崩塌等惨祸发生前,刹车、机身、桥梁上都会产生异常震动,这实际上就是“金
属疲劳”的一种征兆。所以,当工程师设计飞机、汽车、桥梁或其他机械时,都必须考虑到金属疲劳问题,并对这些金属建筑或机械定期“体检”,以确保安全。
所有金属表面都存在微小缺陷,有的肉眼看得见,有的肉眼看不见。这些瑕疵都会使得应力在该处产生,从而导致金属开始裂开,所以,当一次负载过重或是多次
猛烈晃动,都会导致金属疲劳而从瑕疵处裂开。现在,冶金学家使可以用显微镜来检视金属表面看不见的瑕疵,他们研究如何以最好的方法来保护金属,以免使得金属疲劳。
给金属过度加压或扭转会导致金属疲劳,由于这个原因,在使用金属部件时,工程师必须要测试金属的结构,用电子计量器可以测量压力以及因压力所造成的伤害。冶金学家通过研究金属的破裂状况,能更加了解金属的结构,以便如何研究减少金属破裂的概率。
日本原子能研究所的研究人员还研制出了一种“聪明涂料”,这种涂料初看和普通涂料没什么区别,但实际上涂料中掺入了钛酸铅粉末。将“聪明涂料”涂在金属
板上,再敲击金属板使其震动,结果涂膜中会产生电流,这便可作为研究人员分析金属疲劳程度的信息。例如,将“聪明涂料”涂在飞机机翼上,然后经常测定涂膜
中产生的电流,一旦发现异常电流,立即实施紧急精密检查,及时查明原因,便可排除事故隐患。
让金属“强身健体”
在现今这个机器时代和未来的机器人时代,如何防止金属疲劳显得尤为重要。现在人们已经知道了一些改进和强化金属,相当于提高了金属的“健康”程度,可以让金属尽量少出现“疲劳”现象。
古人就知道了如何让金属“强壮”的方法,那就是锻炼它们,令它们“百炼成钢”。现在我们所说的“锻炼身体”一词,其实就来源于对金属的锻炼,我们应该像锻炼金属一样锻炼自己的身体。锻炼金属的方法是热处理,例如对钢不断回火和捶打,使其韧化,减弱金属容易疲劳的特性。
人们想到的另外一个方法是向单一金属中掺入其他物质,填补金属中的空隙和瑕疵。如果掺入的物质是金属,就可以制造出合金,用两种金属相互填充空隙的方法
来弥补瑕疵,并使得金属强度增高。向金属中加入碳,也可以弥补金属中的瑕疵,制造出高强度碳钢。在金属材料中添加各种“维生素”,也是增强金属抗疲劳的有
效办法。例如在钢铁和有色金属里,加进万分之几或千万分之几的稀土元素,就可以大大提高这些金属抗疲劳的本领,延长使用寿命。
在设计机械时,
也应尽量减少可能发生的金属疲劳事故。比如,可以消除零件上的薄弱环节,减少开孔、挖槽、切口等,因为疲劳裂纹常常发生在这些地方;提高零件表面的光洁
度,保护表面不受生锈腐蚀之害,加工粗糙所产生的刻划痕以及材料锈腐之处,都是容易产生微细裂纹的;对零件表面进行强化处理,比如,辗压零件的表面,使材
料表面强化,从而不易产生微细裂纹。
随着科技的进步,已经研制出更多含有金属的复合材料,如金属和玻璃纤维或塑料的合成物。这些复合材料使得金属不但保留了原来的强度,而且增加了纤维和塑料的韧性,使得金属不再轻易疲劳。
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