本文來自微信公眾號：SF 中文 （ID：kexuejiaodian），作者：SF

我們聽聞過不少由金屬疲勞造成的災(zāi)難。為了防范這一問題，我們每年都要投入大量人力物力，卻還是難以完全杜絕。那種可以自愈的金屬材料仿佛只有在科幻作品中才會出現(xiàn)，或者是反派掌握了這種材料，導(dǎo)致主人公們屢屢受挫，又或者是機(jī)緣巧合獲得了這種材料，才使得主人公們可以絕處逢生。而現(xiàn)在，科學(xué)家們將這一科幻情節(jié)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)了。

文 | 聞靜

金屬疲勞的“難”和“痛”

金屬在加工或使用的過程中，難免會存在一些缺陷，比如內(nèi)部有雜質(zhì)或孔洞、表面有劃痕，這些缺陷都是極細(xì)微的，難以用肉眼觀察。如果給金屬施加一個(gè)不變的拉力，并不會導(dǎo)致金屬產(chǎn)生裂縫；但如果給金屬施加一個(gè)反復(fù)變化的力，一會兒是拉力一會兒是壓力，就會導(dǎo)致部分能量轉(zhuǎn)換成熱，積累在金屬內(nèi)部，一旦超過某個(gè)限度，就會造成金屬缺陷處附近原子間的化學(xué)鍵斷裂，甚至金屬構(gòu)件開裂。這就是金屬疲勞的產(chǎn)生過程。

由于金屬疲勞是較小的外力反復(fù)長期作用的結(jié)果，金屬在開裂前基本沒有明顯的變形，因此往往很難提前發(fā)現(xiàn)金屬的疲勞。有時(shí)候一個(gè)細(xì)小的裂縫就會造成災(zāi)難性的后果，很難防范。歷史上發(fā)生過許多由金屬疲勞造成的慘劇，并且這些事故通常是以一種匪夷所思的形式發(fā)生的。

1998 年，德國一列高速行駛的動車因車輪輪箍疲勞斷裂而脫軌，造成 100 余人死亡。

2002 年，由于飛機(jī)上一塊修補(bǔ)過的蒙皮發(fā)生了嚴(yán)重的金屬疲勞開裂，一架波音 747 客機(jī)在從臺灣飛往香港的途中解體墜毀，造成包括機(jī)組成員在內(nèi)共 225 人不幸罹難。

2007 年，因飛機(jī)上的一根金屬縱梁發(fā)生了疲勞，美國空軍的一架 F-15 戰(zhàn)斗機(jī)在模擬空戰(zhàn)時(shí)機(jī)頭突然斷裂。

2011 年，由于鐵軌的疲勞裂紋，一列客運(yùn)列車在山西太原翻出軌道，造成至少 19 人死亡和 141 人受傷。

2018 年，由于金屬構(gòu)件發(fā)生了裂紋和變形，一座設(shè)計(jì)新穎、注重安全性的行人橋在美國弗洛里達(dá)國際大學(xué)附近突然坍塌，導(dǎo)致至少 6 人死亡。

金屬疲勞只能防范不能逆轉(zhuǎn)？

在加工和使用金屬零件時(shí)，合理設(shè)計(jì)零件結(jié)構(gòu)，盡量降低零件應(yīng)力集中，提高表面光潔度、遠(yuǎn)離腐蝕環(huán)境，能有效減少疲勞的發(fā)生。

雖然有針對金屬疲勞的預(yù)防措施，但是現(xiàn)在人們普遍認(rèn)為金屬疲勞產(chǎn)生的裂縫是不可逆的，只會越來越大。甚至科學(xué)家在制定一些用來描述裂紋生長的基本方程時(shí)，都是直接排除了金屬自愈過程的可能性。

但是，7 月 19 日，發(fā)表于《自然》（Nature）的一篇研究顯示，科學(xué)家實(shí)現(xiàn)了金屬中的疲勞裂紋自修復(fù)。這是科學(xué)家首次觀察到金屬自愈，表明了對金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，不僅可以預(yù)防疲勞裂紋的出現(xiàn)，還可以促進(jìn)裂紋愈合。

在本次研究中，科學(xué)家對 40 納米厚的鉑箔進(jìn)行反復(fù)拉動（200 次 / 秒），以觀察疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。但意外的是，在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到 40 分鐘時(shí)，科學(xué)家觀察到了疲勞裂紋開始自主愈合。繼續(xù)對鉑箔進(jìn)行反復(fù)拉動，科學(xué)家觀察到初始的疲勞裂紋逐漸消失，并且裂紋開始向新的方向生長 —— 這表明之前的裂紋確實(shí)已經(jīng)愈合。

科學(xué)家將觀察到的這一過程描述為由局部應(yīng)力狀態(tài)和晶界遷移共同誘發(fā)的裂紋側(cè)面冷焊（cold welding）。冷焊是一種冶金過程，即當(dāng)兩個(gè)相對光滑和潔凈的金屬表面接觸時(shí)，會重新形成化學(xué)鍵。

這一發(fā)現(xiàn)是驚人的，對疲勞響應(yīng)的解釋和抗疲勞材料的設(shè)計(jì)具有重要意義，對工程師如何設(shè)計(jì)和評估結(jié)構(gòu)材料疲勞壽命的最基本理論提出了挑戰(zhàn)。

雖然這一冷焊過程還不可控，且現(xiàn)階段只能在鉑和銅這兩種金屬中觀察到，但在本研究中觀察到的晶界變化具有啟發(fā)意義，科學(xué)家預(yù)計(jì)還有無數(shù)其他微結(jié)構(gòu)配置也會產(chǎn)生類似的效果。

參考文獻(xiàn)：

• Autonomous healing of fatigue cracks via cold welding | Nature

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的金属疲劳裂纹能自愈？科学家首次实现了这一科幻情节的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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