現(xiàn)象簡介
當材料和結(jié)構(gòu)受到多次重復(fù)變化的載荷作用后，應(yīng)力值雖然始終沒有超過材料的強度極限，甚至比彈性極限還低的情況下就可能發(fā)生破壞，這種在交變載荷重復(fù)作用下材料和結(jié)構(gòu)的破壞現(xiàn)象，就叫做金屬的疲勞破壞。但其實這種現(xiàn)象不限于固體金屬，許多固體材料也都有這種現(xiàn)象發(fā)生，例如塑膠、碳纖維、陶瓷、玻璃等等。
金屬疲勞是造成機械損壞的重要原因，可能直接導(dǎo)致事故的發(fā)生，因此所有機械皆需定期檢查、維修、更換零件。
物理原理
人的疲勞感覺來自于長期的勞累或一次過重的負荷，金屬也是一樣。金屬的機械性能會隨著時間而漸漸變?nèi)?，這就是金屬的疲勞。在正常使用機械時，重復(fù)的推、拉、扭或其他的外力情況都會造成機械部件中金屬的疲勞。這是因為機械受壓時，金屬中原子的排列會大大改變，從而使金屬原子間的化學(xué)鍵斷裂，導(dǎo)致金屬裂開。
主要原因
這是因為金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)并不均勻，從而造成應(yīng)力傳遞的不平衡，有的地方會成為應(yīng)力集中區(qū)。與此同時，金屬內(nèi)部的缺陷處還存在許多微小的裂紋。在力的持續(xù)作用下，裂紋會越來越大，材料中能夠傳遞應(yīng)力部分越來越少，直至剩余部分不能繼續(xù)傳遞負載時，金屬構(gòu)件就會全部毀壞。
科學(xué)研究
金屬體檢
科學(xué)研究表明，金屬疲勞并非完全難以檢測。應(yīng)用科學(xué)的檢測手段避免了不少因金屬疲勞而可能發(fā)生的事故?？茖W(xué)家證實，汽車剎車突然失靈而掉下懸崖、飛機發(fā)動機突然爆裂、強風使鐵橋崩塌等慘禍發(fā)生前，剎車、機身、橋梁上都會產(chǎn)生異常震動，這實際上就是“金屬疲勞”的一種征兆。所以，當工程師設(shè)計飛機、汽車、橋梁或其他機械時，都必須考慮到金屬疲勞問題，并對這些金屬建筑或機械定期“體檢”，以確保安全。
所有金屬表面都存在微小缺陷，有的肉眼看得見，有的肉眼看不見。這些瑕疵都會使得應(yīng)力在該處產(chǎn)生，從而導(dǎo)致金屬開始裂開。所以，當一次負載過重或是多次猛烈晃動，都會導(dǎo)致金屬疲勞而從瑕疵處裂開。現(xiàn)在，冶金學(xué)家可以用顯微鏡來檢視金屬表面看不見的瑕疵，他們研究如何以最好的方法來保護金屬，以避免金屬疲勞。
給金屬過度加壓或扭轉(zhuǎn)會導(dǎo)致金屬疲勞。由于這個原因，在使用金屬部件時，工程師必須要測試金屬的結(jié)構(gòu)，用電子計量器可以測量壓力以及因壓力所造成的傷害。冶金學(xué)家通過研究金屬的破裂狀況，可以更加了解金屬的結(jié)構(gòu)，從而研究出減少金屬破裂的概率。
聰明涂料
日本原子能研究所的研究人員研制出了一種“聰明涂料”，這種涂料初看和普通涂料沒什么區(qū)別，但實際上涂料中摻入了鈦酸鉛粉末。將“聰明涂料”涂在金屬板上，再敲擊金屬板使其震動，涂膜中會產(chǎn)生電流，這便可作為研究人員分析金屬疲勞程度的信息。例如，將“聰明涂料”涂在飛機機翼上，然后經(jīng)常測定涂膜中產(chǎn)生的電流，一旦發(fā)現(xiàn)異常電流，立即實施緊急精密檢查，及時查明原因，便可排除事故隱患。
抵抗方法
自古人們就知道“強壯”金屬的方法，那就是鍛煉它們，令它們“百煉成鋼”?，F(xiàn)在我們所說的“鍛煉身體”一詞，其實就來源于對金屬的鍛煉。鍛煉金屬的方法是熱處理，例如對鋼不斷回火和捶打，使其韌化，減弱金屬容易疲勞的特性。
人們想到的另外一個方法是向單一金屬中摻入其他物質(zhì)，填補金屬中的空隙和瑕疵。如果摻入的物質(zhì)是金屬，就可以制造出合金，用兩種金屬相互填充空隙的方法來彌補瑕疵，并使得金屬強度增高。如在金屬中加入碳，可以制造出高強度碳鋼；金屬材料中添加各種“維生素”是增強金屬抗疲勞的有效辦法。例如，在鋼鐵和有色金屬里，加進萬分之幾或千萬分之幾的稀土元素，就可以大大提高這些金屬抗疲勞的本領(lǐng)，延長使用壽命。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)已出現(xiàn)“金屬免疫療法”新技術(shù)，通過事先引入的辦法來增強金屬的疲勞強度，以抵抗疲勞損壞。此外，在金屬構(gòu)件上，應(yīng)盡量減少薄弱環(huán)節(jié)，還可以用一些輔助性工藝增加表面光潔度，以免發(fā)生銹蝕。對產(chǎn)生震動的機械設(shè)備要采取防震措施，以減少金屬疲勞的可能性。在必要的時候，要進行對金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)的檢測，對防止金屬疲勞也很有好處。
現(xiàn)在，利用金屬疲勞斷裂特性制造的應(yīng)力斷料機已經(jīng)誕生?？梢詫Ω鞣N性能的金屬和非金屬在某一切口產(chǎn)生疲勞斷裂進行加工。這個過程只需要1―2秒鐘的時間，而且，越是難以切削的材料，越容易通過這種加工來滿足人們的需要。
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