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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，會產(chǎn)生裂紋，最后失效。以下是我思考的一些結(jié)果，還請各位大牛指正。 一般來說，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，不會產(chǎn)生位錯塞積，那么永遠不會有裂紋產(chǎn)生。就是因為位錯由變形能力強的區(qū)域，滑移到變形能力較低的區(qū)域，位錯不能繼續(xù)滑移，塞積下來。這樣塞積的位錯多了，應(yīng)力集中了，如果沒有變形來緩解應(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，也就是說有裂紋產(chǎn)生，所以我們可以認為，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，該載荷能開動材料內(nèi)n個滑移系。隨后反向載荷開始施加到材料上，剛才開動的n個滑移系，其中必然會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。同樣，反向載荷引起的滑移變形也有部分不會因為載荷變?yōu)檎亩蛘较蚧�，從而不會被抵消掉。所以，在交變載荷的作用下，材料內(nèi)部會有兩類滑移系，一類滑移系會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動，這些滑移系才是引起裂紋的關(guān)鍵。 現(xiàn)在的問題是，交變載荷是低于材料的屈服強度的，所以，即使在材料的某些部位產(chǎn)生了位錯塞積，再加上外加載荷，也不至于使材料產(chǎn)生裂紋開裂呀。對于這個問題，我是這樣考慮的，材料在交變載荷下，有一些滑移系會不斷的改變滑移方向，這些滑移系不會因為滑移而產(chǎn)生加工硬化效果，它們的滑動永遠隨著交變載荷的改變而改變，塑形不會下降。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有位錯塞。但是要注意，這些塞積的位錯所產(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)力到底是如何達到的呢。一個滑移系是由一個密排面和一個密排方向組成的，一般來說，一個密排方向會同時存在于幾個密排面中。比如說面心立方的一個密排方向是處于兩個密排面里面的。這樣，在該滑移方向上，就存在了兩個滑移系，設(shè)想這兩個滑移系一個在交變載荷下不停的改變滑移方向（滑移系1），而另一個滑移系只能在正載荷的作用下做正向滑移（滑移系2）。這樣的兩個滑移系是會發(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，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在向正向滑移的過程中，如果在滑移方向的前方有一個滑移系2的位錯，該位錯會受到滑移系1運動的影響而受到正向的斥力。也就是說，本該在滑移系1中引起滑移的力，在兩個滑移系交互的過程中，傳到了滑移系2中的位錯上了。 這樣一來，滑移系2的前端的應(yīng)力集中就有3個來源了，一個是位錯塞積，一個是外加載荷，還有一個是滑移系1中同號位錯在正向載荷作用下做正向滑移時對滑移系2中同號位錯的斥力。其中第三個力是關(guān)鍵，正是該力的作用，是得材料在低于屈服強度的交變載荷下產(chǎn)生了裂紋。 [ Last edited by weathers on 2012-1-31 at 23:05 ] |
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vince
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小木蟲(金幣+0.5):給個紅包，謝謝回帖
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
小木蟲(金幣+0.5):給個紅包，謝謝回帖
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試以后總會發(fā)現(xiàn)樣品有塑性變形，說明疲勞過程中有位錯的運動。如何會在彈性區(qū)產(chǎn)生位錯的運動？正如樓主所說，沒有材料是絕對均勻的。金屬中總有這個那個的缺陷，如塊狀脆性相、位錯塞積區(qū)域、表面的物理傷害，等等。這樣在承受載荷的過程中就會產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致局部受力超過了屈服，從而導(dǎo)致位錯的運動。在數(shù)十萬次的交變載荷過程中，這種局部細微的變形不斷累積，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吸收一定的能量，只是這個能量很少。經(jīng)過數(shù)十萬次的承載，材料不斷吸收能量，當(dāng)達到一定程度的時候，材料就會斷裂。 個人拙見，往各位批評指正。 |
4樓2012-02-01 11:04:18
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