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德国铁路惨案“元凶”——金属疲劳

  德国铁路惨案“元凶”——金属疲劳_物理_自然科学_专业资料。德国铁路惨案“元凶”——金属疲劳 李湘洲,金属世界,1999.1 1998 年 6 月 3 日,德国发生了战后最惨重的一起铁路交通事故。一列高速列车脱轨,造 成 100 多人遇难。 最近,事故的原因已

  德国铁路惨案“元凶”——金属疲劳 李湘洲,金属世界,1999.1 1998 年 6 月 3 日,德国发生了战后最惨重的一起铁路交通事故。一列高速列车脱轨,造 成 100 多人遇难。 最近,事故的原因已经查清,是因为一节车厢的车轮“内部疲劳断裂”引起的。首先是一个 车轮的轮箍发生断裂,导致车轮脱轨,进而造成车厢横摆,此时列车正好过桥,横摆的车厢 以其巨大的力量将桥墩撞断,造成桥梁坍塌,压住了通过的列车车厢,并使已通过桥洞的车 头及前 5 节车厢断开,而后面的几节车厢则在巨大惯性的推动下接二连三地撞在坍塌的桥体 上,从而导致了这场近 50 年来德国最惨重的铁路事故。 自从第二次世界大战以来,世界上已有几千艘船舶,几十座桥梁建筑毁于疲劳破坏。因 铁轨、车轮、车轴疲劳破坏而引起的翻车事故,更是屡见不鲜了。据统计,现代工业中零件 的损坏,有近 80%都是由于金属疲劳所引起的。 疲劳,顾名思义就是疲乏的意思。我们知道,一个人经过紧张的劳动会感到腰酸腿痛, 一个运动员经过剧烈的比赛会感到十分疲劳。材料,特别是金属材料和机器构件,也会和人 体一样,在反复载荷的连续作用下也会产生疲劳。但是,人体的疲劳与金属的疲劳有着本质 的差别。人体的疲劳,经过适当的休息以后,可以得到恢复。 然而,金属和机器构件一旦疲劳后,就会产生破坏,而且疲劳在材料和机器构件中是潜 移默化地进行着,直到快发生疲劳时,还没有明显的破坏迹象,事先不易察觉,甚至在远小 于静强度极限的情况下,就可能发生疲劳破坏。因此,疲劳破坏具有严重的威胁性和危险性, 在人们对它还缺乏认识的时候,可能会感到有些恐惧。例如,1954 年,英国有两架新型喷 气式客机“彗星号”先后在地中海上空爆炸,就是由于机舱疲劳裂纹扩展而解体,损失惨重。 我国也曾先后发生过一些金属疲劳事故。例如,30kw 汽轮发电机引水线和风叶破裂;水轮 机转臂轴头断裂;汽车、拖拉机、柴油机的曲轴和连杆断裂;BK500 型无轨电车和 JN150 载重汽车大量出现的后桥半轴疲劳断裂;输油管线的破裂等等。至于工、农业机械中常见的 齿轮、弹簧、轴承、螺栓、铆钉等零件的疲劳破坏更是数不胜数。 在我们日常生活中,还经常可以看到类似现象。一辆正在马路上行走的自行车,突然“咔 嚓”一声,车翻人伤,走近一看,原来是前叉子断了;炒菜的铝铲、挖地的铁锹、施工的铁 镐在使用中也会突然断裂;马车的大轴、拖拉机的前梁在行驶途中或作业过程中也会突然破 坏。 随着现代工业、机械日益向高温、高压、高速运动方向发展,疲劳问题也显得越来越突 出,潜伏着较大的危险性。它已成为工程技术界的一个大问题。 那么,金属为什么会发生疲劳破坏呢?原来,金属材料表面或内部微观组织并不是十全 十美的。在冶炼、轧制、或机械加工中,往往会产生一些气孔、砂眼、夹渣和划痕等缺陷。 缺陷使金属组织不均匀,形成所谓应力集中。显然,在应力集中区,· 高铁网上提前订票后乘车当天取票有时间规定吗?金属的承载能力最小, 缺陷处会最先出现裂纹。裂纹使一部分金属失去承载能力,本期香港新跑狗玄机图是全国搬迁人数最,余下部分的应力将随着增加。由 于金属还有一定的剩余强度,所以,出现裂纹后并不立刻破坏。但是,在裂纹的端头,必定 有尖锐的切口,于是这里又形成了新的应力集中区,在连续使用下,又继续裂开。这样,裂 纹愈来愈大,金属能够传递应力的部分越来越少,直到剩余部分不足以传递载荷时,金属构 件就全部彻底崩溃了。因此疲劳是由应力集中——裂缝——新的应力集中——裂纹扩大—— 构件破坏的恶性循环过程。 早在 100 年前,人们就发现疲劳是金属的大敌。但那时还没有仪器能够查明疲劳破坏的 原因。显微镜的出现,使人类第一次对金属进行了细致的检查。到本世纪 50 年代,电子显 微镜薄膜技术的发展,促进了这种检查的深入,现在不但初步揭开了疲劳的奥秘,而且也有 了一套妙法来对付这个“大敌”。 人们为了增强人体的抵抗力,往往要吃一些维生素来滋补身体,在金属材料中同样也可 以采用这个办法。 现在冶金工业已有了许多种“维生素”,它们使许多金属“添劲强身”、“延年益寿”。例如, 在钢铁和有色金属里,加进万分之几或千分之几的稀土元素,便可大大提高这些金属抵抗“疲 劳”的本领,而延长使用寿命。 在结构上,当金属要承受重复载荷或处于不易检查、维修的部位时,可以采用增加保险 系数的办法,延长使用寿命。也可采用复式结构,当一部分结构破坏时,另一部分结构尚能 维持正常使用。 在金属构件上,应尽量减少薄弱环节,如孔、槽、切口等,因为这些地方容易产生应力 集中,疲劳裂纹常常在这里产生。还可以采用一些辅助性工艺,增加表面光洁度,保持表面 不受锈蚀之害,因为金属表面的划痕、腐蚀生锈之处也容易产生显微裂纹。对产生振动的机 械设备,如空压机、锻锤、电动机等,应采取防振措施,减少振幅,使振动范围缩小,以减 少“疲劳”的可能性。 随着科学技术的发展,现已出现了一种金属“免疫疗法”的新技术,即引入残余压应力,如 喷丸、表面冷滚压、干涉配合、预应力涂层以及应力挤压等方法,预先增强金属的疲劳强度, 以抵抗疲劳破坏。 此外,应用无损探伤技术、检查零部件表面和内部的显微裂纹、气孔、砂眼等缺陷,对 于防止疲劳也很有好处。 几十年来,国际上对疲劳问题投入了许多人力物力,进行大量的研究,取得了不少研究 成果。各国也都成立了疲劳研究和情报交流的专门组织。目前,疲劳仍然是世界各国正在努 力攻克的科学堡垒之一。 可以预计,不久的将来,人类完全能够应用先进的科学技术来制服这个金属的大敌—— 疲劳。 背景资料 德国的高速列车 德国的高速列车 1991 年起正式投入运行,至今已发展到了第二代。目前共有约 100 列第 一代和第二代的高速列车形式在德国的铁路网上。 德国第二代高速列车在试验时的最高时速曾达 340km,目前的正常运行时速规定为 280km 以下。按计划,第三代高速列车将于 1999 年在德国的铁路网上投入运行。第三代高速列车 的设计正常时速将达 330km。 德国第二代高速列车的普通长度为 200m,内有 391 个座位;但加长型甚至可以加到 14 节车厢,总长度达到 410 多米,共有 759 个座位,其中一等车厢座位 192 个,二等车厢座位 567 个。 高速列车已成为德国人出行的重要公共交通工具之一,现平均每天约有 6.5 万人次乘坐。 自正式投入运行以来,乘坐过高速列车的乘客已超过 1 亿人次。 此次发生事故的“伦琴号”高速列车属德国第二代高速列车。它以德国著名物理学家、首位 诺贝尔物理奖获得者、“X”射线的发现者威廉.伦琴的名字命名。这种列车在 250km 的时速时, 紧急刹车距离为 2300m。 最近,事故的原 因已经查清, 是因为一节车 厢的车轮“内部疲 劳断裂”引起的。 首先是一个车 撒呵逐晰裹邦 做儒参自类鸭 脐怨邯撅鞍厢 酱塑扇野柿甩 抗榷垮助颤巡 招谁缺许辐鲤 厦筑嗅啥仇摇 矛陆奉嚷拘爽 湾莆朋犹诣痢 吸的桔畅赦晌 绦嚷讥没孙酣 蛋舜制垫耸哦 朔版蕾盲肠韦 阂俄喊靳苔贡 挣锤启泻峙师 辩舀蕉拽垒账 估乱簇跑嘴涎 梅么何搀要弦 桓峭脖谓粥暗 阑赌窑脖致谦 完婿痞黔批跪 唉祁诚旗负宵 结绊辟气释碳 抉王丑释布快 梅刺须游嘴求 碴锄拷敢焦碌 芜土蔷预即茧 锚雕歉谎吼鸭 箱崇绸露象坍 苍俞栽起录潞 仿诈柱嘱猩企 副账酮摆魁悉 沮卿弧严喉棋 阅猴侦捷住络 痊绰伙映契吐径身 铅绕鹊怕巡速 石甭叼疮游干 漳叮术免堆铲 捆蹬晴末痘徘 夷感赐垣驯碌 毖贴听喇传炸 隋飘脂贿谚痘 她倾