金属为什么会疲劳?

是结构发生了什么样的改变吗?

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5个答案
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毛骡金属材料学博士

2013-10-09 10:31

疲劳只是一个名词。直接的表象是断裂。断裂的原因是长时间受到“交复应力”或者“应力集中”导致的。具体原因有很多很多,普遍认为是金属组织的微裂纹扩展导致的。但是具体分析的话,成因可以有很多。

举个最常见的例子。一根普通的铁丝。反复弯一定次数就会断掉。原因就是铁丝内的微裂纹扩展。当铁丝弯向一侧(假设是左侧),那么右侧的裂纹受到拉力而扩展,左侧受压,没有变化。然后反向弯曲,则右侧刚才扩展的裂纹被压缩,保持原样,而刚才受到压缩的左侧裂纹在拉力下扩展。反复几次以后,裂纹扩展到足够的深度以后就造成了断裂。这是最典型的金属疲劳。

(PS:这是在@遨游翔风 指出后补上的。铁丝弯折导致断裂不完全是疲劳,还有加工硬化的情况在里面。只是因为这个试验用来说明裂纹扩展非常直观,我把它放在这里,这是变应力的情况。但是有些材料这么弯折几十万次都没有变化的,别说疲劳了,连强化都没有。所以,不能说这是一个好的例子。谢谢@遨游翔风

Dr. Reid解释的情况涉及另一个情况,就是应力集中。所谓应力集中是指由于结构和形状导致的材料受力不均匀的情况。典型的例子就是尖锐的“角”。比如在一张方形的纸右上角剪掉一个方形的小片,然后用手拽另一条没有剪的对角线上的两个角,纸就会从方才剪的方形的一个顶角处裂开。这就是因为应力集中在那个尖角上导致的。

举实例的话,埋在地下的管道突然爆裂。原因就有可能是某处水管在埋设的时候一颗不起眼的石子顶住了管道,造成最终的疲劳。当然这往往只是事后最有说服力的解释。济南市十几年前那次严重的煤气管道爆炸事故就被认为与这种类型的金属疲劳有关。

(PS: 没有时间作图,如果理解困难,我晚些再补图)

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遨游翔风车辆工程本科

2013-10-09 19:20

零件在交变应力作用下经过长时间工作而发生断裂的现象叫做疲劳断裂。所谓交变应力,是指应力的大小、方向随时间发生周期性变化的应力。通常零件在工作寿命期间的应力变化次数小于1000次的通用零件,一般不进行疲劳强度校核。而@毛骡 所举的手折铁丝的例子,不属于疲劳断裂。原因如下,①手折铁丝的所施加的应力大于钢丝的屈服强度。②铁丝断裂前发生明显的塑性变形。③应力循环次数低、作用时间短。 折断铁丝伴随有加工硬化现象,是由于金属晶格畸变引起的。铁丝在弯折时,会发生局部塑性变形、屈服塑性变形等现象,折口处在反复弯折过程中原子排列会发生畸变,引起晶格扭曲,晶粒破碎为亚晶粒,晶体缺陷增多,其性能也会发生显著变化,硬度、强度升高,塑性、韧性下降;折口处内应力增大,材料变脆,容易产生裂纹。在进一步弯折过程中裂纹相互粘合、摩擦、挤压,裂纹得以进一步扩展,最终断裂。

现阶段(机械类专业,大三),我所学金属疲劳知识不涉及原子结构层面。其实际是材料内部缺陷受力形成裂纹及裂纹扩张的结果。与金属晶格缺陷好像没多大关系。

金属零件疲劳断裂大致过程如下:
1.疲劳源区裂纹形成
由于材料内部缺陷(如夹杂物、孔洞等)、加工缺陷(如刀痕、铸造裂缝、焊接裂 缝、热处理裂纹、磨削裂纹等)或结构设计不合理(如键槽、轴肩处的圆角太小)等原因,使局部区域造成应力集中,从而形成裂纹。
2.疲劳裂纹扩展
疲劳裂纹形成后,在交变应力作用下继续扩展长大,由于载荷的间断或载荷大小的改变,裂纹经多次张开、闭合以及裂纹表面的相互摩擦,疲劳裂纹扩展区留下一条条光亮的弧线,称为疲劳裂纹前沿线(或疲劳线)。这些弧线开始时比较密集,以后间距逐渐增加,形成“贝壳状”或“海滩状“的花样,称为疲劳裂纹扩展区。
3.最后断裂
由于疲劳裂纹不断扩展,使零件的有效截面逐渐减少,因而应力增加,当应力超过材料的断裂强度时,发生断裂。

疲劳断裂的特点有:
1.破坏形式为突然脆性断裂,断口无宏观塑性变形。即使是塑性性能很好的材料,破坏之前也不会有明显的塑性变形。
2.破坏时零件中的最大应力往往低于材料的静强度指标。
3.破坏总是在交变应力作用较长一段时间之后才发生。
4.疲劳断口能清楚地显示出裂纹的形成、扩展和最后断裂三个过程。

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金属内部结构并不均匀,从而造成应力传递的不平衡,有的地方会成为应力集中区。在一段时间的交变压力作用下,局部高应力区形成微小裂纹,再由微小裂纹逐渐扩展以致断裂。与此同时,金属内部的缺陷处还存在许多微小的裂纹。在力的持续作用下,裂纹会越来越大,材料中能够传递应力部分越来越少,直至剩余部分不能继续传递负载时,金属构件就会全部毁坏。

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阿尔吉农飞岛国语言专家

2013-10-08 16:57
支持者: 亲爱的小草

根源是晶格缺陷

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实际上是金属的微观缺陷在受力变化的过程发展扩大,疲劳只是一个形象的说法。

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