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金屬疲勞的致命秘密：為何鐵路車軸會突然斷裂？
在材質科學中，金屬疲勞可以被定義為由於週期性加載造成材料裂紋的產生與擴展。當疲勞裂紋初次形成後，每次加載都會使裂紋增長，並且通常會在斷裂面上產生細小的條紋。這些裂紋會持續增長，直到達到臨界尺寸，此時裂紋的應力強度因子超過材料的斷裂韌性，最終導致結構的快速斷裂。無論是金屬成分還是塑料、複合材料，以及陶瓷等大多數材料，都似乎會面臨某種形式的疲勞相關失效。
在歷史上，疲勞故障的分析主要集中在金屬上，特別是在十九世紀初，鐵路車軸的突然失效被認為是金屬晶體結構的脆裂，但這種看法已被後來的研究推翻。隨著科技進步，科學家和工程師對於金屬疲勞的機理有了更深的了解，並以此提升材料的設計與使用安全。
金屬疲勞的階段
疲勞失效的過程一般可以分為幾個主要階段：裂紋形成、裂紋增長的階段一與階段二，以及最終的失效。在開始的裂紋形成過程中，材料內部的應力集中可能在金屬樣品的應力集中處，或在聚合物樣品的高孔隙密度區域出現。這些裂紋最初將在晶體平面上緩慢擴展，而當達到關鍵尺寸後，裂紋將迅速沿施加的力的垂直方向增長。
H. S. Wöhler於1870年總結了他對鐵路車軸的研究，認為週期性應力幅度的範圍比峰值應力更為重要。
裂紋生成
裂紋生成是一個獨立的過程，包括材料在施加應力下形成的微觀結構變化。材料在加載下將發展成細胞結構並硬化，最終導致持續滑移帶的形成。這些滑移帶將成為裂紋生成的應力集中點，使得裂紋在材料內部形成。即使在通常具有延展性的材料中，疲勞失效的表現也會類似於突然的脆性失效。
裂紋增長
疲勞生命的絕大部分時間通常消耗在裂紋增長階段。加載範圍主要驅動裂紋增長速度，但環境、主應力、過載和欠載等額外因素也會影響增長速度。根據觀察，裂紋從材料或製造缺陷的初始尺寸可能小至10微米。當增長速度足夠快時，可以在斷裂面上觀察到疲勞條紋，這些條紋的寬度代表每次加載週期的增長步長。
波士頓啤酒公司發現，在短裂紋的情況下，增長速度較預期更快的現象，這一"短裂紋效應"至今仍是材料疲勞的主要研究方向之一。
疲勞的影響因素
有多種因素會影響金屬的疲勞壽命，包括應力類型（拉伸或壓縮）、環境濕度、溫度、表面處理等。例如高濕度會加速裂紋的增長，尤其是在鋁合金中，水蒸氣能夠接觸裂紋尖端並導致氫脆現象。在設計金屬材料時，這些隱藏的變數對於確保穩定和安全的運行至關重要。
預測疲勞壽命
美國材料和試驗學會將疲勞壽命定義為測試樣本在特定 大小特徵的應力週期之下，持續到發生特定損壞的周期數。然而，實際數據顯示，對於某些金屬來說，尤其是鋼和鈦，疲勞極限的理論值很可能不遵守。因此，工程師使用一系列方法來評估材料的疲勞壽命，包括應力-壽命法、應變-壽命法、裂紋增長法等。
在這個充滿挑戰的領域中，探索金屬疲勞的根本原因將是保證結構安全的關鍵。這不僅是工程師的責任，更是全社會須共同關注的問題。您認為如何應對金屬疲勞這一常見而致命的挑戰呢?
