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1700548459 “脆性断裂”是一个已经存在了几个世纪的问题了，它是指一个巨大的裂纹以接近声音的速度自发地贯穿一个结构体，在标志着船体破裂、压力容器爆炸或桥体坍塌的爆炸声中，瞬间切断钢铁。在灾难发生之前，通常都会有一个“酝酿期”——在引发灾难的疲劳过程中裂纹慢慢变长加深。卡尔·奥斯古德在他的著作《疲劳设计》中，对此给予了更为深入的阐述：“所有的机械装置和结构设计都存在疲劳问题，这是因为自然之力总是作用在每个物体上，因此每个物体也必然会以某种方式对其作出反应。”时隔10年，在这本书的第二版前言中，他重申了这一主张，声称“没有找到改变最初（他的）观点的原因”。当然，不是所有的工程师都如此专一地关心疲劳问题，但在许多设计中，这一点确实是需要重点考虑的。
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1700548461 一些冶金学的理论可以用来解释机械装置的累进疲劳损坏现象，这些理论包括对金属微观结构中存在的无规律或“混乱”这一现象所作的假设，但是没有一个是完全令人满意的。然而，正当冶金学家们讨论如何能让一块金属发生断裂的微小细节时，工程师们却在不断地被要求设计出即使遭受剧烈震动和其他不定负荷也不会发生断裂的机械装置和结构。因此工程师必须拿出实用的方法，在不引起结构损坏的情况下，预测出裂纹扩展的速度和范围。通常正是这类考虑决定了一个结构体的预期使用寿命。
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1700548463 如果我们认为我们对这一过程本身的理解是不完全的，那么，结构工程师在避免疲劳引发事故的设计上所取得的成功则是令人钦佩的。他们认为疲劳过程从本质上说包括两个阶段。在第一阶段，微裂纹在“成核位置”——材料弱化或是应力集中的点——显现出来，这一阶段大约占一个机械零件或者一个机械结构全部寿命的一半。随着反复负载的持续作用，这些裂纹逐渐扩大，并且会有一些合并成一个占支配地位的显微疲劳裂纹。在第二阶段，随着循环加载的继续，这个裂纹以一个更快的速度扩展。如果裂纹发展到了不堪承受施加负荷的尺寸，这个结构体就将无法再继续支撑具上的程了。这时当一个在这个结构体没有出现疲劳之前可以承受的负荷加载在它身上时，它就会坍塌。
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1700548465 冶金学家已经从经验中得知，在生产合金时要尽量减少成核位置，增加防止裂纹扩张的抵抗力。工程师也已经学会通过增加接合处的数量来降低局部的负载标准，学会使用可以容纳更多裂纹的高强度材料来避免脆性破裂的发生。但是金属疲劳问题仍然存在，这是因为冶金学家和工程师一样，都是从过去有限的经验中去推测不断出现的新材料在将来不确定的使用与滥用环境下的行为。在新设计中，与经验的一丁点儿偏差都可能会导致无法预料的后果。在一些例子中，裂纹的酝酿阶段很短，有时甚至没有，就像独立钟事件中由冶金引发的灾难一样。
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1700548467 理解疲劳现象和预防这一现象完全是两回事。有关裂纹扩张的假设是在实验室理想的受控条件下接受检测的。试件可以小心地用机器制造出来，表面也会尽可能地没有缺陷，而负荷状况也可以小心地被人为指定和监控。既然在这样的情况下可以实现对实验结果的复制，代表反复负载水平或压力（工程师经常用S来表示）与疲劳引发事故的周期数（用N来表示）的关系的光滑曲线也很容易形成。这些S-N曲线描绘了每一种材料的行为。当然，随着压力的减小，出现事故的周期——结构体的“寿命”——将会增加。此外，如果负荷水平降到了界限值以下，那么无论循环加载多少次载荷，也不会出现事故。
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1700548469 因此从理论上讲，疲劳是可以避免的，但峰值应力永远不会超过临界值这样的超安全标准设计结构体是不合乎实际的。这样设计出的飞机可能因为太沉而飞不起来。即使能飞起来，某个与之竞争的制造商也可以很快设计出一款更轻，而且制造、购买、操作起来都更便宜的飞机。“最理想”的设计，即疲劳裂纹的蔓延确实会发生，但是过程很慢，慢到在裂纹引发任何安全问题之前，这个结构已经退休很久了，这样的构想同样是原则上可以实现，但实际上很难完成。
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1700548471 尽管这个简单的S-N曲线适用于大多数的工程材料，但是在设计中使用它并不是那么容易的。一方面，在理解这条曲线时必须要运用统计学上的知识，不确定度的范围（range of uncertainty）和平滑曲线上的点一样重要。它不仅散布在大量的疲劳试验数据之中，而且同种材料的不同批次之间也存在着不同，甚至同一批次的同种材料在不同的物理、化学环境之中也存在差异。
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1700548473 此外，装配式结构远非像实验室模型那样完美无缺——没有裂纹在结晶位置上。比如粗心就很容易导致焊接缺陷，这不仅会产生结晶位置，还会使金属越过结晶阶段直接产生裂纹。制造阶段有时也会在结构体中引进残余应力，这些可能成为疲劳过程早期阶段的主要诱因。
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1700548475 最后，每个工
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1700548477 程结构的实际负载量远没有像在实验室条件下进行的负载测试那样有规律或精确到数字，有时，有些实际情况甚至都没有被设计者考虑在内，因为设计者认为这些情况不可能引起裂纹。对DC-10客机的发动机架来说情况就是这样，客机发动机架上的巨大裂纹就是在未曾列入考虑范围之内的维护程序捷径中造成的。
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1700548479 “质量监控”就是通过降低与合格标准的偏差以及拒绝劣等工艺来消除难以接受的重大缺陷。但是，不幸的是，对装配式结构固有裂纹的检测技术仍然很匮乏。不仅仪器的灵敏度相对较低，对于它们的解释与使用资料也是艺术性高于科学性。
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1700548481 “无损检测”是对在不损害物体的前提下，对不透明部分和焊接点的缺陷进行探测时使用的技术的总称。一种最有前途的“无损检测”工具使用的是超声波技术。通过向某一部位发送超声波，并观察它们的回声，人们就可以判断一个内部不可视的物体的内部完整性，而不用在观察的过程中损坏结构体或任何部分。裂纹、空隙、异物或者其他存在于金属中的潜在缺陷都会使超声波以一种特有的方式反射回超声波接收器。不幸的是，其反射的回波所表现的完全是已知的最复杂的几何形状的数学特征，包括现代结构在内，当分析反射信号在示波器上所充满的噪声干扰其他部分的结构时，却可想象出很多的解释。
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1700548483 其他建立在诸如X光和磁场这类比较容易理解的物理现象之上的无损检测技术，却没有足够的分辨率和灵敏度，无法对某一工程结构提供足够的详细信息。测试的否定结果仅仅意味着仪器和操作员没有发现大的缺陷。在某些情况下，已经延伸至钢板1/4处的裂纹都能逃脱无损检测程序的检查。
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1700548485 “验证试验”是无损检测的一个变体，测试内容是：在最糟糕的工作情况下，对一个新制作出来的压力容器或其他容器慢慢加压，抑或是逐渐加重一根横梁的负载，直到超过它的预期承受力。当然，这种测试是非破坏性的，只要容器或结构是结实的。这一技术看上去能够最终证明某一部分的完整性，但是，这种测试也有局限性。在测试中，足够小的裂纹是不会使容器破裂的，但是在一段有效服务期之后，疲劳裂纹的扩展开始显现，最终裂纹可能会大到引起失效。
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1700548487 通过结构体的实测强度和试验技术的敏感度可以假定和推测出未被发现的小缺陷。工程师必须假设存在这样的裂纹，并计算出它们的增长率。例如，当一架飞机被建成时，质量监控程序、验证试验和试飞能够确保结构构件中不存在会立即构成威胁的大裂纹。然而一些不太严重的裂纹从一开始就存在，工程师必须确定此类裂纹发展到可以被检测出来的尺寸所花费的时间，以及可以进行在役检查（in-service inspection，或“运行中检查”）所花费的时间。为了进一步避免由疲劳裂纹扩大引发的灾难性事故，工程师通常采用“自动防故障装置”（fail-safe）设计：把结构干扰并入可能未被检测出来的裂纹的自发增长之中。
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1700548489 避免结构失效的另一个基本设计原理叫作“安全寿命（safe-life）”设计。使构件在有限设计寿命内不发生疲劳破坏的设计，称为“安全寿命”设计，这种设计实现起来并不容易。在许多相对简单的情况下，工程师能够确定出最恶劣的原始缺陷，但他们无法精确地详述结构体随后的加载以及裂纹的扩展情况。例如，一个设计工程师能够估计出一架飞机在一生之中起飞、爬升、飞行、遭遇气流、着陆、滑行时的常规负载，但是他无法轻易准确地预测出在这一系列的过程中某个疲劳裂纹的发展情况。这要取决于飞机在暴风雨（雪）和无风（浪）天气中的确切飞行次序、软着陆还是硬着陆，以及有效荷载的轻重。此外，用来分析不同条件下不同负载状况效果的数学模型还远没有达到标准。因此，一个安全的设计不能完全依赖于安全寿命设计，同时还需要故障保险，这样通过有规律地作规定的检查就可以防止或发现潜在的危险裂纹。
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1700548491 无论是由于理论不足还是信息不确定导致的分析局限性，设计工程师仍然要继续他们的工作。既然实时的（real-time）、与原物大小一样的疲劳实验通常是不可能的——建造一个与原物大小一样的结构体模型就是建造结构体本身——工程师便使用安全系数，并允许他们的设计中存在可以被原谅的误差。
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1700548493 20世纪60年代中期，核反应堆容器器壁上的裂纹是否已经发展到了能够引起危险的尺寸这一问题在核工业、原子能委员会以及其机构下的反应堆安全防卫咨询委员会的成员中引起了热烈的讨论。反应堆安全防卫咨询委员会的成员认为确保器壁有6～8英寸厚的钢制反应堆容器被制造得完美无缺是不可能的。因为制造和检测技术都远不完美，人们不得不假设存在最小尺寸的缺陷（defects of minimal size），但是这个最小尺寸的缺陷是什么仍然是一个需要讨论的重要假设。
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1700548495 此外，在核电站运行的几十年中，循环的加热冷却、功率和气压的起伏以及器壁受压情况的变化都可以使疲劳裂纹发展扩大。对正在运行中的核电站检测很难，可供使用的仪器也很有限，因此，这些裂纹是否能被探测到，现在和当时一样不确定。非破坏性测试技术，比如能够在容器周围活动，帮助检查员寻找裂纹和其他可疑裂口的遥控水下摄影机，可靠度都十分有限。因此，对于某些种类的裂纹我们必须假定其存在，纵然断裂力学的技术分析能够合理地证明这些缺陷并不严重。
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1700548497 但是在核反应堆装置中这个问题就比较复杂了，因为制作压力容器所用的钢并不存在一个断裂韧度；它们对毁灭性断裂的抵抗力取决于金属的温度。在某一温度下，材料非常易碎，一点儿也不坚固。当把这个安全界限换算成安全系数时，这一温度就被称为“参考温度”。只要是在这一温度上给反应堆容器加压，就不会有灾难性裂纹出现的危险。
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1700548499 但是当钢铁被冷却到参考温度以下时，就会发生脆性断裂。这个现象在一定程度上是造成一些早期焊接桥梁在冬天突然发生断裂以及“二战”期间自由轮分裂的原因。1943年2月16日，俄勒冈州的波特兰发生了一场典型的船只失事事件。那天天气温和，风平浪静。一艘T-2油轮静静地停泊在码头上，在毫无预兆的情况突然裂成了两半，据报道，方圆1英里都听到了响声。在接下来的几年中，一些油轮和自由轮也发生了断裂，这些船只大部分都是使用新近检测通过的全焊接施工技术建造的（具有讽刺意味的是，焊接缝取代了传统中可以自动防止裂纹从一块钢板扩散到另一块钢板的铆接缝）。自从在桥梁、储油罐和其他工程结构上使用了钢铁以来，脆性断裂就一直发生，这一现象现在已经被研究得越来越多，工程学中的断裂力学几乎是与核反应容器同时产生的。尾随自由轮事故进行的调查表明自发性断裂是在冶金、环境和负载的综合作用下发生的，像急转弯或裂纹这类几何不平顺（geometric irregularities）的出现加剧了这一过程。在焊接船的案例中，草率应用的技术和经验不足的工人都威胁了钢结构的完整性。研究已经教会工程师如何在设计中防止脆性断裂，但是确定结构体中原有裂纹（flaw）或缺陷的尺寸和预测这些裂纹到疲劳裂纹的发展情况仍是挑战。
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1700548501 按照设计，核反应堆容器在钢铁的参考温度以上运行良好。因此遥控电视或其他检测手段没有检测出来的裂纹并不存在危险，因为这个容器不会像在凉爽大海中的焊接船或者是放在冰冷瓷砖上的滚烫玻璃咖啡壶那样易碎。不幸的是，反应堆芯中子辐照的影响之一就是在核电站的使用期限内提升参考温度。20世纪60年代中期这一现象就为人们所知，但是当时的人们并没有经验可以确切表明反应器的临界温度能够被提高到多少。工程师和冶金家只好按照自己的想法保守地估计了中子通量的破坏性效果，并据此设计了反应器。然而，20世纪80年代早期，在仅仅相当于15年后人们对受辐射钢铁的检测结果表明脆化进程的速度比预想的快得多。使用之初，反应堆容器可以在100华氏度的低温下工作，并且很好地维持在参考温度以上。据估计，随着钢铁受到辐射，一些参考温度也随之发生了变化，超过了200华氏度，尽管反应器一般情况下是工作在600华氏度的温度下的，但是并不能完全排除一个低温和一个高压构成的危险组合引发事故的可能性。因此，如果发生事故，那就会促使堆芯事故冷却系统迅速冷却压力容器——向着已经升高的参考温度冷却——任何原有裂纹都可能快速扩张。
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1700548503 美国经营核反应堆的能源公司密切监控着容器的断裂韧度，这些操作人员普遍认为脆变不会发展到引发危险的程度。检测和分析裂纹技术的稳步提高也使操作人员确信他们不用承担没有必要的风险。此外，反应器运转员希望正在发展中的韧化技术可以使钢铁软化强韧（toughen）从而再次获得较低的参考温度，消除中子辐照的脆化影响，将安全系数恢复到早期的水平。然而，英国仍在继续讨论美国设计的压水式反应堆可能构成危险的裂纹这一问题，此时压水式反应堆还没有在他们的国家中用于生产电力。
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1700548505 核能工业的管道也存在裂纹问题，这种潜在的核电站事故会像电影《中国综合征》里演到的那样危害到成千上万的人，也会使核反应堆受到关闭的威胁，即使这样可能导致电力匮乏。核电站管道中最能引起麻烦的是与腐蚀有关的裂纹，人们认为通过认真地为管道选择不锈钢，认真地制造、安装管道，小心地控制流经这些管道的水的化学成分，就能够消除这些裂纹。特别是反应器冷却水，罕见的纯净。但是应力、焊接技术、温度和水的化学成分这个未被实验涉及过的组合让人大吃一惊。在20世纪60年代末到70年代初期间人们，几次在核电站管道上发现的裂纹最终促使当时刚成立的核管理委员会在1975年早期建立了管道裂纹研究组。
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1700548507 研究组认为这些裂纹属于沿晶应力腐蚀龟裂——在相对较高的机械应力和腐蚀环境的共同作用下，发生在敏感（susceptible）金属材料晶格上的一种情况。这种情况的特点是裂纹通常沿着冶金金相学上的晶晶格（晶晶格很可能会被看作微小的断裂线）前进，作为腐蚀剂聚集和机械应力提升的地方，细缝的出现会加剧这一过程。在焊接的过程中，应力腐蚀裂纹使金属变得很敏感，净化过的核电站冷却水中的高含氧量加剧了这种情况。有些传言说当焊接工给管道的一边加热，将其弯曲使其与另一根需要焊接的管道对齐时，管道变得敏感了。这样一个擅自的、未被预料到的步骤所带来的应力是任何一个设计工程师无法计算在内的。还有传言说焊接工人在午餐时间就坐在他们准备焊接的管道上吃煮鸡蛋，他们撒在鸡蛋上的盐和含盐的汗水落到了管道接头处，将氯化钠带入了一个设计工程师和施工工程师假定已经摒除了腐蚀剂的系统之中。
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