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weathers银虫 (小有名气)
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疲劳是如何产生的 已有10人参与
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疲劳是材料的一项力学性能，我常思考，为何材料在低于屈服极限的交变载荷下，会产生裂纹，最后失效。以下是我思考的一些结果，还请各位大牛指正。 一般来说，材料在载荷的作用下产生裂纹的原因都是由于变形能力的不均匀造成的。试想，如果材料的变形能力处处相等，不会产生位错塞积，那么永远不会有裂纹产生。就是因为位错由变形能力强的区域，滑移到变形能力较低的区域，位错不能继续滑移，塞积下来。这样塞积的位错多了，应力集中了，如果没有变形来缓解应力集中，就产生了裂纹。 疲劳的结果最后也是使得材料失效，也就是说有裂纹产生，所以我们可以认为，使材料产生疲劳失效的载荷必然能引起材料内位错的滑移。于是我这样设想，交变载荷施加在材料上，一开始是正向载荷，该载荷能开动材料内n个滑移系。随后反向载荷开始施加到材料上，刚才开动的n个滑移系，其中必然会有很多向反方向滑移，从而抵消了正向载荷产生的滑移，当然，也有一些滑移系由于取向原因或者产生割阶不能向反方向滑移，这些滑移产生的变形从而被保留了下来。同样，反向载荷引起的滑移变形也有部分不会因为载荷变为正的而向正方向滑移，从而不会被抵消掉。所以，在交变载荷的作用下，材料内部会有两类滑移系，一类滑移系会在交变载荷下不停的改变滑移方向，这些滑移系不是引起裂纹的原因。还有一类滑移系在交变载荷下始终向同一方向运动，这些滑移系才是引起裂纹的关键。 现在的问题是，交变载荷是低于材料的屈服强度的，所以，即使在材料的某些部位产生了位错塞积，再加上外加载荷，也不至于使材料产生裂纹开裂呀。对于这个问题，我是这样考虑的，材料在交变载荷下，有一些滑移系会不断的改变滑移方向，这些滑移系不会因为滑移而产生加工硬化效果，它们的滑动永远随着交变载荷的改变而改变，塑形不会下降。而那些只在正向载荷作用下滑移，不在反向载荷下滑移的滑移系，它们的滑移方向上会有位错塞。但是要注意，这些塞积的位错所产生的应力集中再加上外加载荷，是不足以使材料产生裂纹的。那么产生裂纹所需要的应力到底是如何达到的呢。一个滑移系是由一个密排面和一个密排方向组成的，一般来说，一个密排方向会同时存在于几个密排面中。比如说面心立方的一个密排方向是处于两个密排面里面的。这样，在该滑移方向上，就存在了两个滑移系，设想这两个滑移系一个在交变载荷下不停的改变滑移方向（滑移系1），而另一个滑移系只能在正载荷的作用下做正向滑移（滑移系2）。这样的两个滑移系是会发生交互作用的，比如滑移系2的前方已经塞积了不少位错，在正向载荷的作用下，也不能继续滑移了，而滑移系1而却能在正向载荷的作用下向正向滑移，那么滑移系1在向正向滑移的过程中，如果在滑移方向的前方有一个滑移系2的位错，该位错会受到滑移系1运动的影响而受到正向的斥力。也就是说，本该在滑移系1中引起滑移的力，在两个滑移系交互的过程中，传到了滑移系2中的位错上了。 这样一来，滑移系2的前端的应力集中就有3个来源了，一个是位错塞积，一个是外加载荷，还有一个是滑移系1中同号位错在正向载荷作用下做正向滑移时对滑移系2中同号位错的斥力。其中第三个力是关键，正是该力的作用，是得材料在低于屈服强度的交变载荷下产生了裂纹。 [ Last edited by weathers on 2012-1-31 at 23:05 ] |
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3楼2012-02-01 09:55:37
leongoall
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qlf_126(金币+1): 感谢参与交流！材料中薄弱环节的存在引起了应力集中 2012-02-01 11:17:34
xucz: 回帖置顶 2012-02-02 10:09:28
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疲劳载荷在屈服以下，而屈服以下属于弹性区。可是疲劳测试以后总会发现样品有塑性变形，说明疲劳过程中有位错的运动。如何会在弹性区产生位错的运动？正如楼主所说，没有材料是绝对均匀的。金属中总有这个那个的缺陷，如块状脆性相、位错塞积区域、表面的物理伤害，等等。这样在承受载荷的过程中就会产生应力集中，导致局部受力超过了屈服，从而导致位错的运动。在数十万次的交变载荷过程中，这种局部细微的变形不断累积，从而造成断裂。 另外从能量的角度考虑，虽然在弹性区加载，但材料每承受一次交变载荷都会吸收一定的能量，只是这个能量很少。经过数十万次的承载，材料不断吸收能量，当达到一定程度的时候，材料就会断裂。 个人拙见，往各位批评指正。 |
4楼2012-02-01 11:04:18
vince
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5楼2012-02-01 14:31:37
