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金属为什么会疲劳?如何测试?

发布时间:2019-09-06 阅读:204

    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zui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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