初中物理趣味故事74危险的信号素材新人教版

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1943年1月，天气非常寒冷。一艘美国新造的巨型油轮正在交付使用，突然发生了事故：油舱不可思议地裂为两截。据当事人回忆，油舱断裂前有一种嚓嚓的声响。这声响和那灾难是否有关系呢？

在生活中也常见到类似的现象：儿童攀登树木，当树杈发出“咯吱”“咯吱”的声响时，危险就要来临了；有经验的矿工听到坑木的某种声音，便知道要发生事故；老农把西瓜拿到耳边，用手一按，根据西瓜受压以后发出的声音，就能判断西瓜的生熟。

在金属世界，也会发生类似的现象：如果找到金属锡，你不妨用两手反复地弯曲它，听！它“噼啪”、“噼啪”地提抗议了，这就是“锡鸣”。

精确的科学实验证明，材料承受机械负载时，它的内部会发射声波（包括听不见的次声波和超声波）。这种现象就叫声发射。强的声发射人耳可以听到，一般的声发射，我们是听不到的。

油舱断裂前的嚓嚓声绝非偶然，它是一种声发射。许多重型机械与大型工程结构发生断裂之前都有过类似的嚓嚓声。尤其严重的是，这些机械往往没有超载，事故是在安全应力下发生的。嚓嚓声是多么危险而又多么重要的信号啊！那么，能不能利用声发射来预测断裂呢？

50年代初，德国科学家凯塞尔在做金属拉伸实验时，发现金属试样变形会发出微弱的声音。这些微弱的声响使他想起了巨轮断裂等一系列事故，便对金属在拉伸或其他变形中的声发射现象进行了深入的研究。

凯塞尔和他的同事们发现，金属在塑性变形时发出的声响是由于内部产生位错运动而引起的。

要说明位错运动，就要从晶体结构谈起。

不计其数的固态物质共分两大家族，金属所属的家族名曰：“晶体”，食盐、水晶、冰都是晶体。晶体中的分子、原子或离子是按照一定规则排列的，好像运动场上的运动员表演“叠罗汉”，每个运动员在空间都有一定的位置。叠罗汉的队形尽管琳琅满目，即都是由那些“罗汉”组成。晶体分子、原子或离子的“队形”，叫做晶格。在金属中的分子或原子虽每“人”都有一定的位置，但总有少量不守纪律者站错了队，而且在其中“暗藏”着外来的“奸细”——杂质。这些地方就是“位错”，在那里隐藏着内部的“破坏分子”。堡垒是最容易从内部攻破的，而位错则是个缺口。倘若有外力加在构件上，位错的地方就会出现裂口。“千里之堤，溃于蚁穴”，位错的运动往往导致裂纹和断裂。

重要的是，位错的运动并不是默不作声的，那些“破坏分子”的运动会产生音响，这就是声发射。既然位错运动是断裂的前提，而声发射又是位错引起的，利用声发射来预测断裂，查找缺陷，防止事故，当然是可以的。问题并不那么简单，金属的声发射信号远比周围的噪声微弱，而且有相当多是超声与次声，靠我们的耳朵去听，常常听不到，或者到时已经无力挽救了。

到了60年代，由于技术有了较快的发展，利用电子技术已经能把声发射信号和环境声区别开。电子“耳朵”能“听”到位错的动静，于是产生了理论的声发射检测技术。近十年来，声发射技术发展较快，在航空、航天、原子能以及金属加工方

面大显身手；在巨大的高压容器、发动机和核反应堆旁，声发射监测器正在默默无声地工作着，保卫着人们的安全。