怎么金属也会疲劳？

2007年，美国空军的一架F-15战斗机在模拟空战时就出现了如此惊险的一幕。这次事故造成美军F-15战机大面积停飞，而调查结果显示，事故起因于飞机上的一根金属纵梁发生了疲劳。无独有偶，2002年，一架由我国台湾飞往香港的波音747客机在澎湖附近海域解体坠毁，造成包括机组成员在内共225人不幸罹难。事后调查认为，飞机上一块修补过的蒙皮发生了严重的金属疲劳开裂，造成机尾脱落，最终导致飞机因舱体失压而解体。

F-15的飞行事故就是由图中纵梁的疲劳引发的生活经验告诉我们，要想徒手拉断铁丝是非常困难的，但如果反复折几下却很容易折断。这表明，即使反复变化的外力远小于能将金属直接拉断的恒力，也会使它的机械性能逐渐变弱并最终损毁。金属的这种现象和人在长期工作下的疲劳非常像，科学家们便形象地称其为“金属疲劳”。

正所谓“黄金无足色，白璧有微瑕”，我们目前所用的金属并非是完美的，在加工或使用的过程中，金属总会存在一些缺陷，比如内部有杂质或孔洞、表面有划痕。这些缺陷往往只有微米量级，很难通过肉眼观察，如果给金属施加一个不变的拉力，它们并不容易产生裂缝。可如果外力是反复变化的，一会儿是拉力一会儿是压力，一部分能量就会转换成热，积累在金属内部，一旦超过某个限度，金属就很容易在缺陷处发生原子间的化学键断裂，导致结构开裂。

人如果过度疲劳，常会引发疾病甚至死亡，金属如果疲劳了，则会带来更大的危害，甚至造成群体伤亡。除了前文提到的飞行事故，轮船、列车、桥梁、汽车等也常因金属疲劳招致灾难。二战期间，美国的5000艘货船发生了近1000次金属疲劳事故，200多艘货船彻底歇菜；1998年，德国一列高速行驶的动车因车轮轮箍的疲劳断裂而脱轨，造成100余人死亡……

▲1998年，因车轮轮箍的疲劳断裂造成了德国史上最严重的列车事故

由于金属疲劳是较小的外力反复长期作用的结果，金属在开裂前基本没有明显的塑性变形，因此往往很难提前发现金属的疲劳。经过科学家们的不懈努力，如今已有多种方法可以检测金属的疲劳，超声波、红外线、γ射线等都能对金属进行体检。日本的科学家还发明了一种掺入钛酸铅粉末的特殊涂料，在敲击金属时，金属表面的涂料薄膜中会有电流通过，且电流的大小和金属的疲劳程度有关，通过测量这股电为了减少金属疲劳事故的发生，科学家们在金属的制备和使用过程中也做足了功夫。我们在生活中接触到的机械几乎都是用合金制成的，而很少采用单一金属，这是由于合金中的几种物质能填补彼此的空隙，有效提高金属抵抗疲劳的能力。在加工和使用金属零件时，保持表面光洁、远离腐蚀环境，也能有效减少疲劳的发生。