第七章 疲劳
1、何谓疲劳？
工程结构在服役过程中，由于承受变动载荷而导致裂纹萌生和扩展以至断裂失效的全过程称之疲劳。
2、什么叫变动载荷（应力）？
变动载荷（应力）是指载荷大小或大小和方向随时间按一定规律呈周期性变化或呈无规则随机变化的载荷。 前者---周期变动载荷（应力）或循环载荷（应力）, 后者---随机变动载荷.
3、请用四个特征和五个描述参量绘出循环应力一时间关系图(图见书本p95页)
（1）波形：通常以正弦曲线为主，其他有三角波、梯形波等；
（2）最大应力σmax和最小应力σmin；
（３）平均应力σm＝(σmax+σmin)/2和应力半幅σa＝Δσ/2＝(σmax -σmin)/2
（４）应力比Ｒ＝σmin/σmax（表征循环的不对称程度）： Ｒ=–1为对称循环，其他均为不对称循环。有时把循环中既出现正（拉）又出现负（压）应力的循环谓之交变应力循环
4、 疲劳破坏的基本特征？
（１）它是一种“潜藏”的失效方式，在静载下无论显示脆性与否，在疲劳断裂时都不会产生明显的塑性变形，断裂常常是突发性的，没有预兆。所以，对承受疲劳负荷的构件，通常有必要事先进行安全评估。（２）由于构件上不可避免地存在某种缺陷（特别是表面缺陷，如缺口、沟槽等），因而可能在名义应力不高的情况下，由局部应力集中而形成裂纹，随着加载循环的增加，裂纹不断扩展，直至剩余截面不能再承担负荷而突然断裂。 所以实际构件的疲劳破坏过程总可以明显地分出裂纹萌生、裂纹扩展和最终断裂三个组成部分。
5、标出带键糟的旋转轴的弯曲疲劳断口的三个区名称？(图见P97) 和阐述疲劳断口常见形式。
在键糟根部由于应力集中，裂纹在此处萌生，称为疲劳源；形成疲劳裂纹以后，裂纹慢速扩展，由于间歇加载或载荷幅度变化，而在整个裂纹扩展区留下贝壳或海滩状弧线，即疲劳裂纹的前沿线；最后是疲劳断裂区，它和静态下带尖锐缺口的断口相似。塑性材料的断口呈纤维状，脆性材料的断口呈结晶状。总之，典型疲劳断口总是由上述三区组成，借助这种宏观断口特征很容易寻找出疲劳源，其在事故分析中常常可提供很有价值的信息。
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材料力学性能课后习题答案
第一章单向静拉伸力学性能1、解释下列名词。
1弹性比功：金属材料吸收弹性变形功的能力，一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。
2．滞弹性：金属材料在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象称为滞弹性，也就是应变落后于应力的现象。
3．循环韧性：金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力称为循环韧性。4．包申格效应：金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，卸载后再同向加载，规定残余伸长应力增加；反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。5．解理刻面：这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面。6．塑性：金属材料断裂前发生不可逆永久（塑性）变形的能力。脆性：指金属材料受力时没有发生塑性变形而直接断裂的能力韧性：指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。
7.解理台阶：当解理裂纹与螺型位错相遇时，便形成一个高度为b的台阶。8.河流花样：解理台阶沿裂纹前端滑动而相互汇合,同号台阶相互汇合长大,当汇合台阶高度足够大时,便成为河流花样。是解理台阶的一种标志。
9.解理面：是金属材料在一定条件下，当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂，因与大理石断裂类似，故称此种晶体学平面为解理面。 10.穿晶断裂：穿晶断裂的裂纹穿过晶内，可以是韧性断裂，也可以是脆性断裂。沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展，多数是脆性断裂。
11.韧脆转变：具有一定韧性的金属材料当低于某一温度点时，冲击吸收功明显下降，断裂方式由原来的韧性断裂变为脆性断裂，这种现象称为韧脆转变2、说明下列力学性能指标的意义。
答：E弹性模量G切变模量
r规定残余伸长应力0.2屈服强度
gt金属材料拉伸时最大应力下的总伸长率n应变硬化指数P15
3、金属的弹性模量主要取决于什么因素？为什么说它是一个对组织不敏感的力学性能指标？
答：主要决定于原子本性和晶格类型。合金化、热处理、冷塑性变形等能够改变金属材料的组织形态和晶粒大小，但是不改变金属原子的本性和晶格类型。组织虽然改变了，原子的本性和晶格类型未发生改变，故弹性模量对组织不敏感。【P4】
材料的疲劳性能
一、疲劳破坏的变动应力
材料在变动载荷和应变的长期作用下，因累积损伤而引起的断裂现象，称为疲劳。变动载荷指大小或方向随着时间变化的载荷。变动载荷在单位面积上的平均值称为变动应力，分为规则周期变动应力（或称循环应力）和无规则随机变动应力两种。
1、表征应力循环特征的参量有：
①最大循环应力：σmax；
②最小循环应力：σmin；
③平均应力：σm=（σmax+σmin）/2；
④应力幅σa或应力范围Δσ：Δσ=σmax-σmin，σa=Δσ/2=（σmax-σmin）/2；
⑤应力比（或称循环应力特征系数）：r=σmin/σmax。
2、按平均应力和应力幅的相对大小，循环应力分为：
①对称循环：σm=（σmax+σmin）/2=0，r=-1，大多数旋转轴类零件承受此类应力；
②不对称循环：σm≠0，-1σm>0，-1
③脉动循环：σm=σa>0，r=0，齿轮的齿根及某些压力容器承受此类应力。σm=σa<0，r=∞，轴承承受脉动循环压应力；
④波动循环：σm>σa，0
⑤随机变动应力：循环应力呈随机变化，无规律性，如运行时因道路或者云层的变化，汽车、拖拉机及飞机等的零件，工作应力随时间随机变化。
二、疲劳破坏的概念和特点
1、疲劳破坏概念
在变动应力作用下，材料内部薄弱区域的组织逐渐发生变化和损伤累积、开裂，当裂纹扩展达到一定程度后发生突然断裂的过程，是一个从局部区域开始的损伤积累，最终引起整体破坏的过程。
疲劳破坏是循环应力引起的延时断裂，其断裂应力水平往往低于材料抗拉强度，甚至低于其屈服强度。机件疲劳失效前的工作时间称为疲劳寿命，疲劳断裂寿命随循环应力不同而改变。应力高，寿命短；应力低，寿命长。当应力低于材料的疲劳强度时，寿命可无限长。
疲劳断裂也经历了裂纹萌生和扩展过程。由于应力水平较低，因此具有较明显的裂纹萌生和稳态扩展阶段，相应的断口上也显示出疲劳源、疲劳裂纹扩展区与瞬时断裂区的特征。
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绪论
二、单项选择题
1、下列不是材料力学性能的是（ ）
A、强度 B、硬度 C、韧性 D、压力加工性能
2、属于材料物理性能的是（ ）
A、强度 B、硬度 C、热膨胀性 D、耐腐蚀性
三、填空题
1、材料的性能可分为两大类：一类叫_ _，反映材料在使用过程中表现出来的特性，另一类叫_ _，反映材料在加工过程中表现出来的特性。
2、材料在外加载荷（外力）作用下或载荷与环境因素（温度、介质和加载速率）联合作用下所表现的行为，叫做材料_ 。
四、简答题
1、材料的性能包括哪些方面？
2、什么叫材料的力学性能？常用的金属力学性能有哪些？
第一章 材料单向静拉伸的力学性能
一、名词解释
弹性极限：
强度:
屈服强度：
抗拉强度：
塑性变形：
韧性：
二、单项选择题
1、根据拉伸实验过程中拉伸实验力和伸长量关系，画出的力——伸长曲线（拉伸图）可以确定出金属的（ ）
A、强度和硬度 B、强度和塑性 C、强度和韧性 D、塑性和韧性
2、试样拉断前所承受的最大标称拉应力为（ ）
A、抗压强度 B、屈服强度 C、疲劳强度 D、抗拉强度
3、拉伸实验中，试样所受的力为（ ）
A、冲击 B、多次冲击 C、交变载荷 D、静态力
4、常用的塑性判断依据是（ ）
A、断后伸长率和断面收缩率 B、塑性和韧性 C、断面收缩率和塑性
D、断后伸长率和塑性
5、工程上所用的材料，一般要求其屈强比（ ）
A、越大越好 B、越小越好 C、大些，但不可过大 D、小些，但不可过小
6、工程上一般规定，塑性材料的δ为（ ）
A、≥1% B、≥5% C、≥10% D、≥15%
7、形变强化是材料的一种特性，是下列（ ）阶段产生的现象。
