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結構件為什麼會斷裂

101/05/08 24583

褚晴暉｜成功大學機械工程學系教授兼博物館館長

在日常生活中，常常有突發的事故發生，如火車出軌、汽車互撞、化工廠管路與壓力容器漏氣或爆炸、飛機失事、橋梁斷裂、核能廠輻射外洩、工安事故，甚至電腦當機等，其後果輕者威脅人身安全，嚴重的足以影響正常的人際互動。去年日本的地震、海嘯、核能廠損毀三重災害，造成附近國家的恐慌，就是明證。

結構設計首重功能。正確的軌道設計與維修，使火車可以安全行駛；汽車互撞時，正確的撞擊力傳遞機制可以減少乘客的受傷；正確地監控壓力容器與管路，可以避免漏氣或爆炸；電腦運算時，如果能夠順利排除晶片產生的熱量，當機的機會就大大地降低；飛機、橋梁等也可以運用目前的科技，維持當初結構設計的功能。如果設計或使用不當，結構會失去該有的功能。

失效的分類

從力學的觀點，結構的設計有3個重點：勁度（也就是剛性）、強度、穩定性。由此而有多種模式使結構件失去功能，以下是依據力學的考量，把結構功能的失效分為3大類。

過度變形　結構件承受過度的外在負荷（包括機械、熱、電或磁等各種負荷），會產生嚴重的塑性變形，無法發揮原有的功能，如軌道因地震而變形等。

斷裂　這種無預警的斷裂，百分之八、九十都屬於疲勞斷裂。當結構件製造完成時，常因材料的缺陷、製程的不當或受力集中，使用一段時間後，就會產生微小的裂紋。這些裂紋會隨時間而不斷地累積增長，到達某個臨界長度時就會突然斷裂。

挫屈　這種現象屬於結構的穩定性問題。在一般力學領域裡，常用球在表面上的行為來說明結構的穩定性。當球受側向力後，因重力的作用，球會回到原位置，這結構就處於穩定平衡的狀態；如果球在任何位置隨時能夠保持平衡，則稱為「隨遇平衡」或「中性平衡」；如果只要稍微受到側向力時，因重力的關係球便不再回到原位置，就稱為「不穩定平衡」。

對於某些結構件（例如薄的板片、細長柱子），外加負載對原有結構件的形狀的穩定性有很大的影響。當負載大到使結構件不能維持原構形時，就由穩定平衡轉變為不穩定平衡。在日常生活中，常遇到有些結構除了強度的考量之外，還須保持結構的穩定性，因而有不同的外形設計，如保特瓶的外形。另外，巡航於深海中的潛水艇，在其雪茄狀結構殼內部就設計有許多環狀與縱向結構，以抗拒深水的擠壓。

影響結構失效的因素

在結構件的使用過程中，有以下幾個影響因素使其失去功能。

承受的外加負荷　機械、熱、電或磁等各種負荷，多半是隨著時間而改變的。如汽車撞擊的時間非常短暫，造成板金過度變形或結構件脆性斷裂；晶片因時常開機、關機的溫度變化，使其產生熱疲勞；飛機因起飛、翻滾、巡航、降落等不同的飛行姿態，空氣動力對結構體產生極為複雜的作用力，因而造成金屬疲勞的現象。

結構的幾何外形　結構件的剛性除了材料本身之外，外形也是重要考量因素。例如，不容易讓一張白紙承受橫向力，但是把白紙摺疊後，結構剛性增高，使可以承受較高的橫向力，這也是鐵軌採用工字形的原因。汽車的引擎蓋製成皺摺形狀，下方並銲上橫條，都是為了加強正面碰撞的剛性。

環境的條件　結構件處在不同的溫度、溼度、噪音、腐蝕環境中，功能失效的模式也會不同。在低溫環境中，結構件比較容易脆化，降低抵抗斷裂的能力。在鹽分較高的環境中，容易發生應力腐蝕。

材料的微觀組織　結構件經由不同的製程，會有不同的微觀組織，因而影響結構件的強度與韌性。

結構的斷裂問題

結構設計之初，必須引用力學的基礎理論進行應力分析，經由試驗獲得材料常數，依據經驗與功能需求取適當的安全係數，決定材料與結構尺寸，最後針對成品做基本的功能測試。結構件一旦發現裂紋，必須完全依賴破損分析，從材料科學、破壞力學，甚至化學反應，評估其安全性。

如前所述，結構件的斷裂多屬於疲勞問題。從金屬或非金屬母材開始，內部往往有空孔、雜質等缺陷，經過後續的加工過程，某些缺陷就形成微小裂紋，在使用過程中，這些裂紋可能繼續成長。如果以非破壞性檢測方法偵測到初始裂紋，這時維修工程師就要面臨幾個重要的問題：

這些初始裂紋是否會造成即刻的斷裂？安全係數是多少？在原有的使用條件下，這結構件可以忍受的最長裂紋（即臨界長度）是多少？從初始裂紋成長到臨界長度需要多久時間？即成長速度如何估計？在這段時間內，如何設定檢測計畫？多久檢測一次？用什麼方式檢測？如果裂紋已經達到某一階段，除了檢測計畫外，還要安排維修計畫，檢測與維修如何進行？

除了破壞力學之外，完整的破損分析與改善策略應該同時借助材料科學。材料專家運用精密的儀器（如掃描式電子顯微鏡），對含裂紋或已斷裂的結構件進行微觀的金相觀察，從材料的成分、熱處理等方面判斷發生問題的癥結。

斷裂的防治

結構件的斷裂問題，可以從能量守恆的觀點探討。外在負荷對物件做功時，物件內部立即以幾種方式儲存或消耗這些外來的能量：以變形方式儲存為應變能、塑性變形能；裂紋成長後，新形成裂紋的表面所具有的表面能、動能、熱能。在機制設計上，如果能使結構件以大量的塑性變形能消耗外來的能量，則斷裂的機會可以降低許多，這類型的力學行為稱為「韌性破壞」。

最擔心的是脆性破壞，即結構件在斷裂之前幾乎沒有變形，所有的功都轉換成斷裂所需的表面能，粉筆的折斷就是一例。我們稱裂紋成長所需的表面能是材料的破壞韌性，一旦結構件發生龜裂的現象時，如果結構件的破壞韌性比較高，則可以承受較長的裂紋。可惜的是，一般高強度的材料，破壞韌性反而比較低。如何選擇材料的強度與破壞韌性，是重要的設計議題。

改變力的傳遞路線，也是很好的斷裂防治方式，飛機的修補就是依據這個原理設計的。目前最新的技術，是以複合材料黏著在龜裂的位置上，如此可以讓通過裂紋尖端附近的力降低，減緩裂紋成長速率，甚至停止，達到修補的目的。

裂紋之所以能夠成長，都是因為裂紋尖端處於拉力或剪力區域。如果空間許可，把裂紋尖端附近或前方的受力狀態改變成受壓區，則可使裂紋停止成長。

另外，如果無法避免破壞的發生，則有一個設計原則可以考慮，就是即使破壞，也可以保持相當的安全。以管路龜裂為例，在裂紋成長過程中，有兩種可能：洩漏或爆裂。前者雖然有氣體外洩，但不會引起較大的爆炸，較為安全，這稱為破斷前洩漏。汽車碰撞時，在撞擊力的傳遞路線中，如果有某結構件發生斷裂，不但可以大量消耗撞擊能量，也可以改變力的傳遞路線，達到保護駕駛人的目的。

案例一

從水庫輸送水到末端用戶的供水系統，前段管路必須使用大口徑的輸送管。近幾年，台灣開始以外層包覆鋼線的預力鋼襯混凝土管敷設在交通道路之下。經過幾年的使用後，曾經發生爆裂事故。

經過檢測、分析後，發現鋼線因腐蝕而扯斷，斷裂的位置猶如裂紋般，在水內壓作用下，鋼線繼續逐條崩斷，最後發生災難。經過修護或更換之後，目前雖然沒有問題，但後續的檢測與維修計畫扮演著零災害的重要角色。關心的議題是，檢測時程如何規劃？可以忍受幾條鋼線崩斷？維修方式如何？

案例二

在軌道系統安全方面，輪軌扮演重要的角色，歐美、中國大陸都在這方面積極地以實驗和理論分析的方式進行研究，甚至有全尺寸的疲勞測試。

以軌道為例，經過長時間的使用，多種的疲勞裂紋會發生在表面或內部，這些裂紋未來的成長路徑會影響車輛的行駛安全。經過分析探討，發現影響裂紋成長走向的因子非常複雜，包括裂紋的長度、劈裂的方向、輪軌間的相互作用力、輪軌間的摩擦係數、裂紋面間的摩擦係數、矯正軌道後的殘留應力、軌道表面因塑性變形而產生的殘留應力、軌道表面硬化層的材質與厚度等。如何以簡易而節省人力經費的工程檢修面對這些問題？值得相關單位重視。

資料來源

《科學發展》2012年5月，473期，54 ~ 57頁

地震(132) 海嘯(37) 軌道(11) 應力(10) 非破壞檢測(4) 掃描式顯微鏡(6) 科發月刊(5210)

結構件為什麼會斷裂

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