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結構件為什麼會斷裂

結構設計首重功能,如果設計或使用不當,結構會失去該有的功能。在結構件的使用過程中,經常因為設計不當或環境變動超出預期,使物體失去應有的功能,造成重大的災害。設計者該如何避免這類憾事發生?
 
 
 
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。
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