金属疲劳揭示的令人吃惊事故

导致结构的强度损失的最大隐患之一是“疲劳”，即变载荷的累积效应。关于金属疲劳的令人吃惊的可能性的描述首见于1895年的通俗文献，吉卜林记录说，格劳陶号由于艉轴上的疲劳裂缝在比斯开湾某处发生螺旋桨脱落事故。之后，人们渐渐淡忘了这件事。到了1948年，尼维尔·舒特的《没有捷径》又重新唤起了大众对金属疲劳的兴趣。无论是作为一本书还是一部电影，这个故事的成功无疑部分归功于哈尼先生这一有代表性的科学奇才角色，但或许更主要的原因是之后不久发生的三次“彗星”客机空难。不久前惠斯勒曾评论过，大自然的技艺一直在增长。“彗星”客机的事故情况与《没有捷径》中的那些想象没有多大区别，除了有更多人丧生并对英国的航空工业造成了更大的损害。

事实上，工程师对金属疲劳效应的了解可追溯到100多年前。的确，工业革命后不久，人们就开始注意到机械的运动部件有时会在对固定零件绝对安全的载荷与应力作用下发生断裂。这对铁道列车而言尤其危险，火车的轴有时会在使用一段时间后突然莫明其妙地断开。这种效应很快就被称为“疲劳”，关于这一课题的经典研究是在19世纪中叶由一位叫沃勒（Wöhler）的德国铁路官员做出的。从照片上看，沃勒看起来完全是一副人们印象中的德国19世纪铁路官员的模样，但他的确做了一项非常有益的工作。

如我们在第5章所说，即便划痕或裂缝尖端处的局域应力可能很高，只要它比临界格里菲斯裂缝长度短，该裂缝也不会扩展，因为要使之扩展就需要对其做功并达到材料的“断裂功”。然而，当材料中的应力处于波动状态时，金属的晶体结构内就会发生缓慢的变化，这尤其可能发生在应力集中的区域。这些变化导致金属的断裂功减小，以致裂缝会非常缓慢地扩展，即使它有可能比临界长度短得多。

这样看来，应力作用下的金属上的任何孔洞、划痕或不平整处都可能发展出一条看不见的细小裂缝，也有可能扩展贯穿该材料，这个过程大体上不会有任何显著性变化。对于常见或一般的裂缝，这样一条疲劳裂缝迟早会达到临界长度。当这种情况发生时，裂缝会加速扩展，径直贯穿材料，经常会带来非常严重的后果。在失效发生后我们通常很容易通过其独有的条状或带状形貌诊断出疲劳裂缝。但在断裂前，早期的疲劳失效实际上是不可能被发现的。

当然，冶金学家和其他人对他们的材料做了大量疲劳测试，许多不同类型的测试仪器如今都可用于此目的。我们通常要考虑金属在反向应力（±s）作用下的疲劳特性，这种应力会产生于转动的悬臂中，比如车轴。（我们也可以将这些结果转化为变应力。）这个反向应力（±s）可被绘制成函数图像，其横坐标表示施加到试样上并使之失效的反向应力次数（n）的对数。这个图有时被称作“S-N曲线”。

图15-3　典型的钢铁疲劳曲线

钢材典型的S-N曲线如图15-3所示。显然，该曲线呈狗后腿状的曲折样式，大约在经过100万次反向应力作用后变平，可能相当于汽车或列车的车轴运行3000英里，或普通的汽车发动机运转约10个小时（发动机当然转得比车轮快得多）。对像钢铁这样的材料来说，存在一个明确定义的“疲劳极限”，这给了工程师极大的安慰。如果他的发动机或车辆能转106或107圈（可能只需要花几个小时），那么它就有望是永远安全的。但疲劳一直是一个需要考虑的危险因素。

铝合金没有明确定义的疲劳极限，但其曲线倾向于逐渐下降，大致如图15-4所示。这使得它们用起来更危险，也解释了某些显然老派的偏好，即倾向于在机械和其他结构中使用钢材。

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图15-4　黄铜和铝等有色金属合金常常显示不出任何可明确定义的疲劳极限

“彗星”客机的事故发生在1953年和1954年，自然引起了恐慌与合理的警觉。阿诺德·霍尔爵士（Sir Arnold Hall）携手一个庞大的专家团队对这些事故的调查堪称经典，不仅是在工程检测方面，而且是在远洋搜救方面。其中一架飞机的碎片坠入了地中海，需要从300英尺或50英寻（1英寻约为1.8米）以上的深度将它们打捞上来。搜救人员设法将几乎整架飞机都找了回来，数不清的碎片被铺放在法恩伯勒的一座大型机库的地面上。我还记得，其中没有一块碎片超过2～3英尺宽。

“彗星”客机是拥有密封增压机身的最早一批客机，其主要目的当然是使乘客免受因海拔高度变化导致的大气压改变而带来的不适和危险。从前，在飞越落基山脉时，人们常常不得不一边戴着氧气面罩一边吃午餐，现在这已经成为人们丧失的技能之一。在密封增压的飞机上，机身实际上成了一个圆柱状的压力容器，和一个薄壁锅炉没什么不同，它会随飞机每次爬升和下降而增压和放松。

“彗星”客机设计的致命错误在于，设计人员没有充分意识到在这些环境中机身金属应力集中部位发生“疲劳”的危险性。“彗星”客机是用铝合金建造的，而德哈维兰公司先前的大部分制造经验都来自木制飞机，比如大获成功的蚊式轰炸机。我并不是说德哈维兰公司非常能干的设计人员对疲劳知之甚少，而是铝合金疲劳的危险性很可能未足够深入他们的集体意识。比起金属，木材不那么容易陷入这种危险，这是它的巨大优势之一。

在每次事故中，裂缝似乎总是从机身上同样小的孔洞开始，缓慢而不被察觉地扩展着，直到达到临界格里菲斯裂缝长度。于是，外壳发生灾难性的撕裂，机身像鼓胀的气球一样爆炸。在法恩伯勒，通过用大型水箱反复给“彗星”客机机身增压，阿诺德·霍尔爵士重现了该效应，使它可以以慢动作的形式被观察到。

“彗星”客机事故发生的部分原因是，肯定存在的疲劳裂缝从未被检查人员发现，这或许是因为他压根儿没打算发现它们，但更有可能是因为裂缝太短而不易看见。如今，飞机机身被设计成可安全容纳约2英尺长的裂缝，有人会认为这么长的一条裂缝几乎不可能不被及时发现。然而，有一个故事是这样的：伦敦机场的两位清洁工在某天深夜，完成了对一架空客飞机机舱的清扫工作。她们关上舱门，走下舷梯，来到停机坪。

“玛丽，你忘关洗手间的灯了。”

“你是怎么知道的？”

“你难道没看到从机身裂缝里透出来的光吗？”