浅析金属疲劳测试

雨夜

　　现象简介
　　当材料和结构受到多次重复变化的载荷作用后，应力值虽然始终没有超过材料的强度极限，甚至比弹性极限还低的情况下就可能发生破坏，这种在交变载荷重复作用下材料和结构的破坏现象，就叫做金属的疲劳破坏。但其实这种现象不限于固体金属，许多固体材料也都有这种现象发生，例如塑胶、碳纤维、陶瓷、玻璃等等。
　　金属疲劳是造成机械损坏的重要原因，可能直接导致事故的发生，因此所有机械皆需定期检查、维修、更换零件。

　　物理原理

　　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，从而使金属原子间的化学键断裂，导致金属裂开。

　　主要原因
　　这是因为金属内部结构并不均匀，从而造成应力传递的不平衡，有的地方会成为应力集中区。与此同时，金属内部的缺陷处还存在许多微小的裂纹。在力的持续作用下，裂纹会越来越大，材料中能够传递应力部分越来越少，直至剩余部分不能继续传递负载时，金属构件就会全部毁坏。
　　科学研究
　　金属体检
　　科学研究表明，金属疲劳并非完全难以检测。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，以避免金属疲劳。
　　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，可以更加了解金属的结构，从而研究出减少金属破裂的概率。
　　聪明涂料
　　日本原子能研究所的研究人员研制出了一种“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，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。
　　抵抗方法
　　自古人们就知道“强壮”金属的方法，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。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。如在金属中加入碳，可以制造出高强度碳钢;金属材料中添加各种“维生素”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。随着科学技术的发展，现已出现“金属免疫疗法”新技术，通过事先引入的办法来增强金属的疲劳强度，以抵抗疲劳损坏。此外，在金属构件上，应尽量减少薄弱环节，还可以用一些辅助性工艺增加表面光洁度，以免发生锈蚀。对产生震动的机械设备要采取防震措施，以减少金属疲劳的可能性。在必要的时候，要进行对金属内部结构的检测，对防止金属疲劳也很有好处。

　　现在，利用金属疲劳断裂特性制造的应力断料机已经诞生。可以对各种性能的金属和非金属在某一切口产生疲劳断裂进行加工。这个过程只需要1―2秒钟的时间，而且，越是难以切削的材料，越容易通过这种加工来满足人们的需要。



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