傷痛過後的省思：裂縫、疲勞、失效與工程設計

整理 / 文及元

一個小小的設計錯誤，如何釀成1980年代最嚴重的工程事故——堪薩斯城凱悅飯店（Hyatt Regency Kansas City）的天橋坍塌？1940年時，什麼因素使得既優雅又創新的塔科馬海峽吊橋（Tacoma Narrows Bridge），在和風吹拂下竟然扭曲斷裂？

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裂縫（crack）的產生，通常是工程意外的開始。在《工程、設計與人性》（To Engineer Is Human）作者亨利•波卓斯基（Henry Petroski）的眼中，設計永遠都有出現失誤的可能。波卓斯基透過《鉛筆》（The Pencil）、《小處著手：追求完美的設計》（Small Things Considered : Why There is no Perfect Design）、《利器》（The Evolution of Useful Things）等著作，進一步建構他的專長「失效分析」（failure analysis）。

波卓斯基同時是美國杜克大學（Duke University）土木工程學教授與歷史教授，素有「科技的桂冠詩人」美譽。他主張，身為設計師，必須學會關注細節，善於在成功中看到失敗並且詳加分析。如此一來，設計師才能在失敗中學到經驗進而逐步改善，盡力避免失敗的再次發生。

以下摘錄《工程、設計與人性》（To Engineer Is Human）第10章〈當裂縫造成突破〉，看看波卓斯基從工程設計的角度，如何解讀裂縫、疲勞與失效：

數十年來，結構工程師們一直認為，疲勞過程實質上是由兩個階段構成的。

在第一個階段中，細微的裂痕會在「成核點」（nucleation sites），也就是材料弱點或應力集中點產生，而在機件或結構體的整個使用期限裏，這個階段便可能佔了一半之多。隨著負載周而復始，這些裂痕也逐漸產生，而若干裂痕「合縱連橫」，形成顯著而粗大的疲勞裂痕。

接著在第二個階段中，隨著負載循環持續，這裂痕也加速擴大。要是裂痕因承受的負荷而變得太大，弱化的結構體可能就再也承受不了。這時候，即使其負荷量還在設計的範圍內，裂痕卻會壓垮了最後一道防線。

冶金學家往往憑經驗學會如何製作「成核點盡可能少而且抗裂痕擴大力盡可能強」的合金。而工程師則學會加強接頭，以降低局部負荷量，同時使用具有高抗裂力，並不會產生脆性斷裂的材料。不過，由於無論是冶金學家或工程師，都只是根據以往有限的經驗，去預測在未來不確定的環境下，前所未見的新材料經使用與濫用時會有什麼樣的行為，因此，金屬疲勞的問題依舊存在。而在新設計中，即使與經驗只有些微的差異，也可能造成意外的後果。

而了解疲勞現象和加以預防，是截然不同的兩件事。有關裂痕產生的假設，是在實驗室中理想、受控制的狀態下測試的。為了盡量提供完美的表面，你可以精心按既定的尺寸製作試樣，而載重狀態也能仔細地加以規定並監控。

由於在這種狀況下，試驗結果是可以重複的，因此代表重複載重或重複應力的平滑曲線（工程師通常以字母S標示），還有相對的疲勞失效周期數（以字母N標示），都能輕易做出來。而這些S-N曲線所呈現的，正是每種材料的行為特性。

當然，隨著應力降低，失效周期數便會增加，也就是結構體的「壽命」便會拉長。此外，要是負載量降到某個門檻值以下，無論歷經多少次負載周期，你都不會觀察到失效。

這樣一來，理論上便能夠避免疲勞，但若是為了確保最高應力絕不會超過門檻值，而去設計超安全的結構體，那是不實際的。用那種方式設計的飛機可能太重，以致飛不起來；即使它飛得起來，製造對手不久也會設計出能以較低成本建造、銷售並營運的更輕機型。而在最佳設計中，疲勞與裂痕雖然必定會變本加厲，但其速度之緩慢，早在裂痕形成任何安全問題前，這個結構已可以退役了。然而這種最佳設計，構想容易做起來難。

（摘錄自《工程、設計與人性》第10章〈當裂縫造成突破〉）

《工程、設計與人性：為什麼成功的設計，都是從失敗開始？》
作者： 波卓斯基（Henry Petroski）
出版社：經濟新潮社
出版日期：2014年6月26日
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【作者簡介】亨利．波卓斯基（Henry Petroski）

杜克大學的土木工程學教授與歷史教授。他素有「科技的桂冠詩人」美譽，專長為失效分析（failure analysis）、科技史、工程設計、日常用品的微物史。著作等身，獲獎無數。《工程、設計與人性》（To Engineer Is Human）是他的第一本書，被視為經典之作。

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