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，或者是反派掌握了這種材料，導致主人公們屢屢受挫，又或者是機緣巧合獲得了這種材料，才使得主人公們可以絕處逢生。而現在，科學家們將這一科幻情節變為現實了。

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，比如內部有雜質或孔洞、表面有劃痕，這些缺陷都是極細微的，難以用肉眼觀察。如果給金屬施加一個不變的拉力，并不會導致金屬產生裂縫；但如果給金屬施加一個反復變化的力，一會兒是拉力一會兒是壓力，就會導致部分能量轉換成熱，積累在金屬內部，一旦超過某個限度，就會造成金屬缺陷處附近原子間的化學鍵斷裂，甚至金屬構件開裂。這就是金屬疲勞的產生過程。

由于金屬疲勞是較小的外力反復長期作用的結果，金屬在開裂前基本沒有明顯的變形，因此往往很難提前發現金屬的疲勞。有時候一個細小的裂縫就會造成災難性的后果，很難防范。歷史上發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，由于飛機上一塊修補過的蒙皮發生了嚴重的金屬疲勞開裂，一架波音 747 客機在從臺灣飛往香港的途中解體墜毀，造成包括機組成員在內共 225 人不幸罹難。

2007 年，因飛機上的一根金屬縱梁發生了疲勞，美國空軍的一架 F-15 戰斗機在模擬空戰時機頭突然斷裂。

2011 年，由于鐵軌的疲勞裂紋，一列客運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，由于金屬構件發生了裂紋和變形，一座設計新穎、注重安全性的行人橋在美國弗洛里達國際大學附近突然坍塌，導致至少 6 人死亡。

金屬疲勞只能防范不能逆轉？

在加工和使用金屬零件時，合理設計零件結構，盡量降低零件應力集中，提高表面光潔度、遠離腐蝕環境，能有效減少疲勞的發生。

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

但是，7 月 19 日，發表于《自然》（Nature）的一篇研究顯示，科學家實現了金屬中的疲勞裂紋自修復。這是科學家首次觀察到金屬自愈，表明了對金屬內部結構進行設計，不僅可以預防疲勞裂紋的出現，還可以促進裂紋愈合。

在本次研究中，科學家對 40 納米厚的鉑箔進行反復拉動（200 次 / 秒），以觀察疲勞裂紋的產生和擴展。但意外的是，在實驗進行到 40 分鐘時，科學家觀察到了疲勞裂紋開始自主愈合。繼續對鉑箔進行反復拉動，科學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已經愈合。

科學家將觀察到的這一過程描述為由局部應力狀態和晶界遷移共同誘發的裂紋側面冷焊（cold welding）。冷焊是一種冶金過程，即當兩個相對光滑和潔凈的金屬表面接觸時，會重新形成化學鍵。

這一發現是驚人的，對疲勞響應的解釋和抗疲勞材料的設計具有重要意義，對工程師如何設計和評估結構材料疲勞壽命的最基本理論提出了挑戰。

雖然這一冷焊過程還不可控，且現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意義，科學家預計還有無數其他微結構配置也會產生類似的效果。

參考文獻：

• Autonomous healing of fatigue cracks via cold welding | Nature

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總結

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容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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