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小木蟲論壇-學術科研互動平臺 » 材料區(qū) » 金屬 » 基礎研究 » 疲勞是如何產生的
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weathers銀蟲 (小有名氣)
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[交流]
疲勞是如何產生的 已有10人參與
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疲勞是材料的一項力學性能，我常思考，為何材料在低于屈服極限的交變載荷下，會產生裂紋，最后失效。以下是我思考的一些結果，還請各位大牛指正。 一般來說，材料在載荷的作用下產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，不會產生位錯塞積，那么永遠不會有裂紋產生。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，應力集中了，如果沒有變形來緩解應力集中，就產生了裂紋。 疲勞的結果最后也是使得材料失效，也就是說有裂紋產生，所以我們可以認為，使材料產生疲勞失效的載荷必然能引起材料內位錯的滑移。于是我這樣設想，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生的滑移，當然，也有一些滑移系由于取向原因或者產生割階不能向反方向滑移，這些滑移產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鍵。 現在的問題是，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生了位錯塞積，再加上外加載荷，也不至于使材料產生裂紋開裂呀。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生的應力集中再加上外加載荷，是不足以使材料產生裂紋的。那么產生裂紋所需要的應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生了裂紋。 [ Last edited by weathers on 2012-1-31 at 23:05 ] |
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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
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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生應力集中，導致局部受力超過了屈服，從而導致位錯的運動。在數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。經過數十萬次的承載，材料不斷吸收能量，當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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