5物质疲劳带来的灾难和我们从中学到的东西

凡尔赛火车失事，1842年

1842年5月8日下午，国王路易·菲利普一世的生日庆祝活动刚刚在凡尔赛宫结束。成百上千的观众挤进了无数的火车车厢，数量之多，以至于需要两辆机车才能拉动。当火车返回巴黎时，领先的机车断了一根车轴，导致发动机脱轨。在连锁反应中，许多列车车厢相互堆叠并起火，这是由发动机的消防箱分散引起的。大多数估计认为事故和随后的火灾造成55人死亡。当时锁定乘客车门的常见做法也可能是一个促成因素。

凡尔赛宫火车失事是法国首例此类事故，并成为世界头条新闻。坠机事件也发生在一段时间内，当时人们对金属疲劳和随时间而发生的一般性退化没有很好的了解，这导致了普通民众的恐惧和困惑。铁路公司、政府机构和学者都开始仔细研究这一事件并从中吸取教训，以防止未来的灾难，并恢复公众对年轻铁路系统作为安全可靠交通工具的信任。

威廉·兰金和奥古斯特·Wöhler只是多年来致力于推进列车车轴的设计、测试和维护的众多研究人员中的少数。正因为如此，历史学家认为凡尔赛事故标志着人类对疲劳和断裂力学领域的认真兴趣和研究的开始，这使得设计和制造更安全、更耐用的商品和部件成为可能。

1919年波士顿糖蜜灾难

1919年1月15日，一个230万加仑的油箱被注满在波士顿的北端，糖蜜倒下了邻里目击者说听到了什么听起来像是枪声，因为铆钉从窗户里射出50英尺高的坦克。崩塌造成了糖蜜波浪高达25英尺，以35英里/小时的速度行进在顶峰时期。强烈的波浪损坏了钢铁高架铁路轨道上的大梁，清扫多个建筑物脱离其基础，以及淹没了无数的城市街区。

随后进行了全面调查，许多促成因素浮出水面。什么之中的一个最关键的因素是坦克的疏忽和普遍的失修状态当坍塌发生时。报告指出，基本的泄漏和压力测试在将储罐投入使用之前忽略执行。报告还指出，委员会油箱加满后，泄漏严重，必须涂成棕色以掩盖缺陷。

尽管如此，油箱仍在使用中。对崩塌后证据的观察表明，根本原因起源于一个圆筒形储罐底部的人孔盖，环向应力集中处最高。据信，疲劳裂纹在人孔盖附近萌生，并扩展至失效前的临界长度。其他促成因素包括发酵过程坦克和急剧上升的温度，这两个都会导致内部爆炸油箱的压力将显著升高。

德哈维兰彗星飞机坠毁，1954年

德哈维兰彗星是世界上第一架商用喷气式客机，由德国制造英国的德哈维兰。彗星是英国在世界上的最高成就随着时间的推移，他们在全球范围内的航空优势进一步提升，直至数年来的第一次致命事故最终归因于金属疲劳。

1954年1月，英国航空公司781航班在从罗马到伦敦途中的地中海。35名乘客和机组人员全部遇难所有彗星飞机立即停飞。经过广泛的搜寻和恢复在执行任务期间，官员们开始检查回收的飞机。很明显，这架飞机爆炸发生在半空中，官员们最初认为是发动机涡轮爆炸造成的造成事故的原因。所有彗星的涡轮都进行了改造，飞机也被摧毁了再次被允许飞行。

在获准飞行几周后，另一架彗星飞机，南非航空公司201航班，在地中海上空从从罗马到约翰内斯堡。所有21名乘客和机组人员再次死亡。这件事导致调查人员对涡轮爆炸是罪魁祸首的假设提出质疑减压的过程。

在对这两次飞行进行了多年的广泛调查后，确定金属由设计缺陷引起的疲劳最终导致两种情况下的爆炸性减压实例。金属疲劳源于用于导航的前窗附近。几个观察了影响因素。首先，方形窗户的设计导致了窗户拐角处的应力高度集中。事实上，计算显示高达70%的飞机在压力下的极限应力集中在机身上飞机窗户的角落。其次，窗户周围的支撑是按原来的规定，是用铆钉而不是胶水，而且铆钉孔会引起疲劳重复加压循环后产生的裂纹。

这些事故的调查结果被用于全面检查航空需求客舱强度。此外，飞机上的尖锐点和边缘也被消除了设计，以减少应力集中。

亚历山大·基兰石油平台，1980年

1980年3月27日，亚历山大·基兰（Alexander L.Kielland）号石油钻机进驻北海挪威水域。当一条“尖锐裂缝”被报告时，超过200名工人在船上的起居室休息。钻机突然倾斜30度。钻机的六根锚索中有五根断裂，留下最后一根锚索支撑巨大的应力水平。在短时间内，钻机在该位置保持相对稳定，直到最后一根电缆断裂，钻机完全倾覆入海中。这次翻船事件造成120多名工人死亡，这是自二战以来挪威水域最严重的灾难。

随后的调查将当晚发生的事件拼凑在一起，确定坍塌的原因是钻机的一个结构支撑出现疲劳开裂。然后将裂纹追踪至一个6 mm的小角焊缝，该角焊缝将非承重法兰盘连接至支撑。角焊缝的外形较差，且存在明显的冷裂纹，这导致疲劳强度显著降低。法兰盘也被显著的层状撕裂削弱，这增加了应力集中。北海钻井平台所经历的周期性压力进一步加剧了局势。

埃舍德火车事故，1998年

1998年6月3日，一列从慕尼黑开往汉堡的高速列车因一个车轮发生故障而脱轨，引发连锁反应，导致桥梁坍塌，十几节车厢脱轨。

1号车厢上的一个钢制轮胎在发生故障时引发了连锁反应，从列车上释放出来，并嵌入到第一节车厢的地板上。当列车通过道岔时，嵌入的轮胎撞击道岔的导轨，导致导轨也嵌入列车，从而提升了列车车轴偏离轨道。当火车接近第二个开关时，一个脱轨的轮子撞上了开关，开关改变了设置。这导致3号车的后轴被拉到平行轨道上，汽车剧烈脱轨，撞毁了一座立交桥的主要支撑。又有几辆汽车以每小时120英里的速度撞上了大桥，直到大桥完全坍塌，堵塞了整个轨道。剩下的汽车全速撞向废墟，造成一场连环相撞。

总共有101人死亡，近100人受伤。除其他因素外，调查人员确定车轮的设计存在缺陷，在实施之前缺乏充分的验证测试。工程师们在轮胎和轮身之间放置了一个橡胶减震环，以减少巡航时的振动。这从几个方面导致疲劳敏感性增加：

• 车轮转动时，轮胎被压扁成椭圆形每转一圈（在一天中大约500000次）服务），具有相应的疲劳效应。
• 与纯整体式车轮设计相比，裂纹也可能轮胎内侧的形状。
• 当轮胎因磨损而变薄时，动态力减小夸大，导致裂纹扩展。
• 轮胎上的平点、隆起或隆起显著增加了轮胎的使用寿命动力作用在总成上，大大加速了磨损。

其他促成因素包括维护不当（记录表明，该车轮在导致碰撞的多个情况下未能通过检查，尽管从未更换）、天桥设计（未设计跨距）以及车厢车身焊缝的使用（导致碰撞期间“解压”）由于这场灾难，所有设计类似的车轮都被更换为单块车轮。