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设计，人类的本性 独 立钟不仅是政治独立的象征，在工程学的历史上，它的断裂也代表了一起最为著名的工程事故。同时它也代表了工业革命带来的技术独立所取得的胜利和代价。自由地设计并实现更大、更宏伟、更复杂的工程结构从来都不是没有风险的，蒸汽动力和铁路的早期历史不时地穿插着锅炉爆炸和铁路事故造成的残骸和受害者。如果结构失效在今天仍然存在，那很大程度上是因为在新兴的工业世界中仍然存在着尚未开发的技术领域。这些领域存在风险，但有责任感的技术开发者也同样提供了预防措施。
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独立钟的历史本身就预示了技术发展的变迁。最早的独立钟是由英国制造并于1752年运送到美国的，但是当人们第一次敲响它时，独立钟发生了破裂。独立钟并没有被长途跋涉远渡重洋地送回英国重铸，而是由费城当地的工人熔化了。在制作了一些小钟并对其进行了声音和铸件强度的测试后，缺乏此类经验的美国人决定增加青铜的含铜量。当发现照此方法制造的钟音色很差时，它又被重新熔化了。之后，为了使其音调悦耳，人们又加入了少量的银，但在费城的大陆会议对这个新的铸件并不完全满意，也有人建议从英国运进一座新钟。然而，可能是出于家乡的自豪感，最后人们接受了这个产于殖民地的独立钟，1776年7月4日这一天，人们敲响了独立钟，标志着《独立宣言》的通过。
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1777年，为了躲避前进中的英国军队，独立钟被运走了，但是在独立钟第二年回到费城之前，它在运送过程中受到了一些机械损伤。半个多世纪以来，每当有周年纪念和特殊事件时，人们都要敲响独立钟。然而，1835年，在为首席法官约翰·马歇尔的葬礼鸣钟时，一个巨大的裂纹出现在了独立钟身上。为了防止裂纹蔓延，人们采取了很多方法，但是在1846年庆祝乔治·华盛顿的生日时，独立钟的裂纹延伸到了现在我们所熟悉的长度。
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并不是所有的故障都像独立钟一样是自发的。通常，结构损坏形成得十分缓慢，使人们足以在造成无法挽回的损失之前注意到这种状况，于是有裂纹的结构体的性能就能够通过一些改善措施得以维护。大本钟就是一个例子，这个13吨的大钟悬挂在伦敦国会大厦的东侧塔楼内。100多年前，当人们在大本钟身上发现一条裂纹时，便将钟槌换成了一个小尺寸的，并且在敲钟时，也使钟槌敲在破坏性较小的一点上。这个正确的工程改动使大本钟可以继续每隔一小时报时一次（虽然有人说它的声音不再那么清亮了）而避免成为一个沉默的古董。那个裂纹今天仍然还在，但是它并没有以任何显著的速度扩大，当然人们也不希望如此。
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大本钟的报时装置也出现了裂纹，但是直到风轮调速器有裂纹的轴在1976年发生灾难性的断裂并在钟房引起机械装置大规模损坏，钟表部件猛烈地四处飞散时，人们才认识到这一点。轴上的裂纹最初只是一个在制造过程中留下的裂纹，并且扩展得很缓慢，但从此钟自1895年被安装之日起，在经过了400万次的循环敲击后，这一裂纹突然发生了断裂——典型的疲劳衰坏。
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一般认为50%～90%的结构损坏，包括钟、桥、飞机和其他普通技术产品的损坏，是裂纹扩展得结果。大多数案例中裂纹扩展地比较缓慢。只有当裂纹发展到结构承受的极限并且仍未被注意到时，灾难才会发生。因此裂纹本身并不是需要担心的对象，尽责的工程设计都会考虑到设计物身上可能出现由材料或技术问题引发裂纹和其他缺陷的可能性。作为设计的一部分，这些缺陷对结构体一生中每个阶段的影响都是可以被计算出来的，但是为避免这些计算本身出现错误，工程师最好提醒结构体的所有者或操作者要警惕裂纹的扩散。
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“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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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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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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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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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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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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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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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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最后，每个工
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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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“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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“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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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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“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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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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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。