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weathers銀蟲 (小有名氣)
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[交流]
疲勞是如何產(chǎn)生的 已有10人參與
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疲勞是材料的一項(xiàng)力學(xué)性能，我常思考，為何材料在低于屈服極限的交變載荷下，會(huì)產(chǎn)生裂紋，最后失效。以下是我思考的一些結(jié)果，還請(qǐng)各位大牛指正。 一般來(lái)說(shuō)，材料在載荷的作用下產(chǎn)生裂紋的原因都是由于變形能力的不均勻造成的。試想，如果材料的變形能力處處相等，不會(huì)產(chǎn)生位錯(cuò)塞積，那么永遠(yuǎn)不會(huì)有裂紋產(chǎn)生。就是因?yàn)槲诲e(cuò)由變形能力強(qiáng)的區(qū)域，滑移到變形能力較低的區(qū)域，位錯(cuò)不能繼續(xù)滑移，塞積下來(lái)。這樣塞積的位錯(cuò)多了，應(yīng)力集中了，如果沒有變形來(lái)緩解應(yīng)力集中，就產(chǎn)生了裂紋。 疲勞的結(jié)果最后也是使得材料失效，也就是說(shuō)有裂紋產(chǎn)生，所以我們可以認(rèn)為，使材料產(chǎn)生疲勞失效的載荷必然能引起材料內(nèi)位錯(cuò)的滑移。于是我這樣設(shè)想，交變載荷施加在材料上，一開始是正向載荷，該載荷能開動(dòng)材料內(nèi)n個(gè)滑移系。隨后反向載荷開始施加到材料上，剛才開動(dòng)的n個(gè)滑移系，其中必然會(huì)有很多向反方向滑移，從而抵消了正向載荷產(chǎn)生的滑移，當(dāng)然，也有一些滑移系由于取向原因或者產(chǎn)生割階不能向反方向滑移，這些滑移產(chǎn)生的變形從而被保留了下來(lái)。同樣，反向載荷引起的滑移變形也有部分不會(huì)因?yàn)檩d荷變?yōu)檎亩蛘较蚧�，從而不�?huì)被抵消掉。所以，在交變載荷的作用下，材料內(nèi)部會(huì)有兩類滑移系，一類滑移系會(huì)在交變載荷下不停的改變滑移方向，這些滑移系不是引起裂紋的原因。還有一類滑移系在交變載荷下始終向同一方向運(yùn)動(dòng)，這些滑移系才是引起裂紋的關(guān)鍵。 現(xiàn)在的問(wèn)題是，交變載荷是低于材料的屈服強(qiáng)度的，所以，即使在材料的某些部位產(chǎn)生了位錯(cuò)塞積，再加上外加載荷，也不至于使材料產(chǎn)生裂紋開裂呀。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，我是這樣考慮的，材料在交變載荷下，有一些滑移系會(huì)不斷的改變滑移方向，這些滑移系不會(huì)因?yàn)榛贫a(chǎn)生加工硬化效果，它們的滑動(dòng)永遠(yuǎn)隨著交變載荷的改變而改變，塑形不會(huì)下降。而那些只在正向載荷作用下滑移，不在反向載荷下滑移的滑移系，它們的滑移方向上會(huì)有位錯(cuò)塞。但是要注意，這些塞積的位錯(cuò)所產(chǎn)生的應(yīng)力集中再加上外加載荷，是不足以使材料產(chǎn)生裂紋的。那么產(chǎn)生裂紋所需要的應(yīng)力到底是如何達(dá)到的呢。一個(gè)滑移系是由一個(gè)密排面和一個(gè)密排方向組成的，一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)密排方向會(huì)同時(shí)存在于幾個(gè)密排面中。比如說(shuō)面心立方的一個(gè)密排方向是處于兩個(gè)密排面里面的。這樣，在該滑移方向上，就存在了兩個(gè)滑移系，設(shè)想這兩個(gè)滑移系一個(gè)在交變載荷下不停的改變滑移方向（滑移系1），而另一個(gè)滑移系只能在正載荷的作用下做正向滑移（滑移系2）。這樣的兩個(gè)滑移系是會(huì)發(fā)生交互作用的，比如滑移系2的前方已經(jīng)塞積了不少位錯(cuò)，在正向載荷的作用下，也不能繼續(xù)滑移了，而滑移系1而卻能在正向載荷的作用下向正向滑移，那么滑移系1在向正向滑移的過(guò)程中，如果在滑移方向的前方有一個(gè)滑移系2的位錯(cuò)，該位錯(cuò)會(huì)受到滑移系1運(yùn)動(dòng)的影響而受到正向的斥力。也就是說(shuō)，本該在滑移系1中引起滑移的力，在兩個(gè)滑移系交互的過(guò)程中，傳到了滑移系2中的位錯(cuò)上了。 這樣一來(lái)，滑移系2的前端的應(yīng)力集中就有3個(gè)來(lái)源了，一個(gè)是位錯(cuò)塞積，一個(gè)是外加載荷，還有一個(gè)是滑移系1中同號(hào)位錯(cuò)在正向載荷作用下做正向滑移時(shí)對(duì)滑移系2中同號(hào)位錯(cuò)的斥力。其中第三個(gè)力是關(guān)鍵，正是該力的作用，是得材料在低于屈服強(qiáng)度的交變載荷下產(chǎn)生了裂紋。 [ Last edited by weathers on 2012-1-31 at 23:05 ] |
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qlf_126(金幣+1): 感謝參與交流！材料中薄弱環(huán)節(jié)的存在引起了應(yīng)力集中 2012-02-01 11:17:34
xucz: 回帖置頂 2012-02-02 10:09:28
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疲勞載荷在屈服以下，而屈服以下屬于彈性區(qū)�？墒瞧跍y(cè)試以后總會(huì)發(fā)現(xiàn)樣品有塑性變形，說(shuō)明疲勞過(guò)程中有位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。如何會(huì)在彈性區(qū)產(chǎn)生位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)？正如樓主所說(shuō)，沒有材料是絕對(duì)均勻的。金屬中總有這個(gè)那個(gè)的缺陷，如塊狀脆性相、位錯(cuò)塞積區(qū)域、表面的物理傷害，等等。這樣在承受載荷的過(guò)程中就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致局部受力超過(guò)了屈服，從而導(dǎo)致位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。在數(shù)十萬(wàn)次的交變載荷過(guò)程中，這種局部細(xì)微的變形不斷累積，從而造成斷裂。 另外從能量的角度考慮，雖然在彈性區(qū)加載，但材料每承受一次交變載荷都會(huì)吸收一定的能量，只是這個(gè)能量很少。經(jīng)過(guò)數(shù)十萬(wàn)次的承載，材料不斷吸收能量，當(dāng)達(dá)到一定程度的時(shí)候，材料就會(huì)斷裂。 個(gè)人拙見，往各位批評(píng)指正。 |
4樓2012-02-01 11:04:18
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人為什么會(huì)累？因?yàn)檎垓v時(shí)間長(zhǎng)了。 為什么折騰時(shí)間長(zhǎng)了人就感到累？這個(gè)有很多種原因，多長(zhǎng)的時(shí)間算長(zhǎng)？不同的人有不同的承受能力。再加上不同的人的生理、心理因素不同，折騰累的原因不同。 金屬為什么會(huì)疲勞？同樣是折騰時(shí)間長(zhǎng)了。 為什么折騰時(shí)間長(zhǎng)了金屬會(huì)疲勞？這個(gè)也有很多種原因，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，多晶金屬不可能是完整的，總會(huì)有缺陷，大的缺陷比如空洞、鑄造缺陷，小的缺陷比如位錯(cuò)、晶界，缺陷就是疲勞的突破口，千里之堤，潰于蟻穴。單晶金屬?zèng)]有缺陷，但是經(jīng)不住折騰啊，反反復(fù)復(fù)的折騰，把位錯(cuò)就折騰出來(lái)了，缺陷就跟著出來(lái)了，疲勞的突破口也就出來(lái)了。 總而言之，言而總之，金屬疲勞的原因就是兩個(gè)字：折騰！ 說(shuō)的玄一點(diǎn)，金屬疲勞就是時(shí)間的函數(shù)，世間萬(wàn)物在時(shí)間面前都是有壽命的，再過(guò)幾十億年連地球都沒了，跟別提什么金屬高周、低周疲勞了？ 對(duì)嗎？哥們？ |
10樓2013-02-04 21:35:26
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9樓2013-02-04 10:01:14
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