飛行中に飛行機の機首が突然折れる状況を想像できますか?
2007 年、アメリカ空軍の F-15 戦闘機が模擬空戦中にこのようなスリリングなシーンを見せました。 この事故により米軍戦闘機F-15機の大規模な飛行停止が発生し、調査の結果、事故の原因は機体の金属ストリンガーの疲労であることが判明した。
偶然にも、2002年には台湾から香港に向かって飛行していたボーイング747型旅客機が澎湖近海で空中分解・墜落し、乗組員を含む計225名が死亡した。 その後の調査では、航空機の修復された外板に重度の金属疲労亀裂が発生し、それが尾翼の脱落を引き起こし、最終的には客室内の圧力損失により航空機が崩壊したと結論づけた。
これを見て、多くの友人は困惑するだろう。人間は疲れれば疲れるのに、どうして金属は疲れるのだろうか？
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F-15 戦闘機の機首と胴体の分離とパイロットを客室から排出するプロセス
F-15 戦闘機の機首を胴体から切り離し、パイロットを客室から排出するプロセス:
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F-15の飛行事故は写真のストリンガーの疲労が原因でした
人生の経験から、ワイヤーを手で切るのは非常に困難ですが、何度か折りたたむと簡単に切れます。
これは、繰り返し変化する外力が、金属を直接引き離すことができる一定の力よりもはるかに小さい場合でも、金属の機械的特性が徐々に弱くなり、最終的には破壊されることを示しています。
この金属の現象は、人間の長時間労働による疲労に非常によく似ており、科学者はこれを明確に「金属疲労」と呼んでいます。
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金属疲労の例
金属疲労という言葉を聞いたことがない人も多いと思いますが、金属疲労は日常生活の中に広く潜んでいて、予期せぬ重大な事故を引き起こすことも少なくありません。 機械事故の約 90% は金属疲労に関連していると推定されています。
一見硬い金属が疲労するのはなぜですか?
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ことわざにあるように、「金には色がありませんが、白翡翠にはわずかな欠陥があります。」 私たちが現在使用している金属は完璧ではありません。 金属は加工や使用中に、内部の不純物や穴、表面の傷などの欠陥が必ず発生します。 これらの欠陥は多くの場合わずかミクロンオーダーであり、肉眼で観察するのは困難です。 金属に一定の張力がかかっていれば、亀裂が入りにくくなります。
しかし、外力が時には張力、時には圧力と変化を繰り返すと、エネルギーの一部が熱に変換され金属内部に蓄積されます。 一定の限界を超えると、金属は欠陥部分で原子間の化学結合を容易に切断し、構造的損傷を引き起こします。 ひび割れ。
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▲顕微鏡で観察した金属欠陥と、そこから始まる金属疲労亀裂の過程
人が過度に疲れると、病気になったり、場合によっては死に至ることもあります。 金属が疲労すると、より大きな被害がもたらされ、集団的な死傷者が発生することもあります。
上記の航空事故以外にも、船舶、電車、橋、自動車などでも金属疲労による災害が多く発生しています。 第二次世界大戦中、米国では 5,000 隻の貨物船で 1,{1}} 件近くの金属疲労事故が発生し、200 隻以上の貨物船が完全に運航停止になりました。 1998年、ドイツで高速走行中の列車がタイヤの疲労と破損により脱線し、100人以上が死亡した。
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▲1998年、ドイツ史上最も重大な列車事故は車輪タイヤの疲労破壊によって引き起こされた
金属疲労は、小さな外力が長期にわたって繰り返し作用することにより起こるため、基本的に金属には亀裂が生じるまでの明らかな塑性変形が存在せず、金属疲労を事前に検出することが困難な場合が多いです。
私たちは金属疲労に対して無力なのでしょうか？
科学者のたゆまぬ努力により、金属疲労を検出する方法は数多くあります。 超音波、赤外線、ガンマ線などはすべて金属の物理検査を実行できます。
日本の科学者はチタン酸鉛の粉末を混ぜた特殊な塗料も発明しました。 金属を叩くと金属表面の塗膜に電流が流れ、その電流の大きさが金属の疲労度に関係します。 金属疲労事故の発生を減らすために、科学者は金属の製造と使用にも多大な努力を払ってきました。
私たちが生活の中で触れる機械のほとんどは合金でできており、単一の金属が使用されることはほとんどありません。 これは、合金内のいくつかの物質が互いの間の隙間を埋めることができ、金属の耐疲労性を効果的に向上させることができるためです。
金属部品を加工して使用する場合、表面を清潔に保ち、腐食環境から遠ざけることも疲労の発生を効果的に軽減できます。
しかし、影響を与える要因が複雑であるため、金属疲労を完全に回避することは依然として不可能であり、科学者たちの道はまだ長いです。
