材料性能与测试课件-第五章材料的疲劳性能-2014

疲劳曲线
疲劳曲线是描述材料在循环载荷作用下的疲劳寿命与应力幅的关系曲 线
疲劳曲线的形状取决于材料的疲劳性能和载荷条件
疲劳曲线可以分为线性疲劳曲线和非线性疲劳曲线
疲劳曲线的斜率反映了材料的疲劳寿命与应力幅的关系，斜率越大， 疲劳寿命越长
疲劳强度
疲劳强度是指材 料在循环载荷作 用下抵抗破坏的 能力
疲劳强度与材料 的力学性能、微 观结构、环境因 素等有关
采用强化处理技术
热处理：通过加 热和冷却，改变 材料的微观结构， 提高其强度和韧 性
表面处理：如喷 丸、喷砂等，提 高表面硬度和耐 磨性
复合材料：将两 种或多种材料结 合，提高材料的 综合性能
形状优化：通过 改变材料的形状 和尺寸，提高其 抗疲劳性能
降低应力集中与尺寸效应的影响
优化设计：通过优化设计降低应力集中，如采用圆角、倒角等设计 材料选择：选择具有良好抗疲劳性能的材料，如高强度钢、铝合金等 热处理：通过热处理提高材料的抗疲劳性能，如淬火、回火等 表面处理：通过表面处理提高材料的抗疲劳性能，如喷丸、滚压等
疲劳数据处理：通过分析疲劳试验数据来评估材料的疲劳 性能
疲劳数据的处理与分析
数据采集：通过疲劳试验获取数据
数据可视化：使用图表展示分析结果， 如折线图、柱状图等
数据预处理：去除异常值、填补缺失 值等
结果解释：根据分析结果，解释材料 的疲劳性能和失效原因
数据分析：使用统计方法分析数据，如 方差分析、回归分析等
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疲劳试验与数据处理
疲劳试验的种类与方法
静态疲劳试验：通过施加恒定载荷来测试材料的疲劳性能
动态疲劳试验：通过施加周期性载荷来测试材料的疲劳性 能
疲劳寿命试验：通过测试材料的疲劳寿命来评估其疲劳性 能

高周疲劳和低周疲劳
按应力高低和断裂寿命分,最基本的分类方法。
疲劳类型
类别
高周疲劳 （低应力疲劳）
表 高周疲劳和低周疲劳对比
断裂寿命
周次（Nf）
较长
>105
Hale Waihona Puke 低周疲劳 （高应力疲劳）较短
102～105
应力水平
较低 σ<σs
较高 σ>σs
Fu Bin Shanghai Institute of Technology
篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
疲劳宏观断口
图 带键的轴旋转弯曲疲劳断口，40钢
Fu Bin Shanghai Institute of Technology
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Mechanical Properties of Materials
Fu Bin Shanghai Institute of Technology
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Mechanical Properties of Materials
篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
瞬断区
瞬断区是裂纹失稳扩展形成的区域。在疲劳亚临界
疲劳断裂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。
Fu Bin Shanghai Institute of Technology
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Mechanical Properties of Materials

1、布氏硬度HBW
压头 符号
淬火钢球 HBS
硬质合金球 HBW
范围 应用
HB≤450 退火和正火钢、铸铁、有色金属等软材料
HBW≤650 布氏硬度值≤650HBW的材料
优点：重复性强，测量误差小。具有较高的测量精度。数据稳定。 缺点：压痕大，测量费时，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。 适于：较软材料，如铸铁、退火或正火钢及有色金属的硬度
e (c)
（a）无塑性变形的脆性材料（如铸铁、陶瓷） （b）有明显屈服点的塑性材料（如低碳钢）
（c）没有明显屈服点的塑性材料（如退火铝合金、高碳钢）
2021
4
弹性模量E标志材料抵抗弹性变形的能力，用以表示材料的刚度。
EtgR(MP)a
e
弹性模量大小主要取决于材料的本性，强化材料的手段如热处理、冷热加 工、合金化等对弹性模量影响很小。可通过增加横截面积或改变截面形状 来提高零件的刚度。
A > 5% 时，有颈缩，为塑性材料 ④用断面收缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。
生产中，为了提高安全性，都要求零件具有一定的塑性。一 般，A达5％或Z达10％的材料，即可满足大多数零件的使 用要求。
2021
8
（四）硬度
材料抵抗表面局部塑性变形的能力。是表征材料力学性能的综合参数。 一般，硬度↑强度↑耐磨性↑塑性↓
在静载荷下
➢ 强度、塑性 ➢ 硬度：布氏硬度、洛氏硬度等 在冲击载荷下 ➢ 冲击韧度 在交变载荷下 ➢ 疲劳强度
载荷
2021
2
（一）弹性与刚度
应力R( ) = F/S0 应变e() = (l-l0)/l0
静 载 拉 伸 试 验 机
拉伸试样
2021

2021年10月21日 星期四
材料 qf
第五章 金属的疲劳
表5-3 部分材料的qf值
结构钢
粗晶钢 球墨铸铁
0.6~0.8
0.1~0.2 0.11~0.25
灰铸铁 qf<0.05
钢经热处理后强度增加， qf增加。 高周疲劳时，大多数金属对缺口都十分敏
感，在低周疲劳时，对缺口的敏感性较小，主要 是因为低周疲劳时缺口根部已处于塑性区内，产 生了应力松弛，降低了应力集中。
2021年10月21日 星期四
第五章 金属的疲劳
过载持久值
金属材料在高于疲劳极限的
应力下运行时，发生疲劳断裂的
循环周次称为材料的过载持久值，R
也称有限疲劳寿命，它表征了材 料对过载的抗力。
N
图5-12 过载持久值
曲线越陡，过载持久值越高，说明材料在相同 的过载荷下能承受的应力循环周次越多，材料的抗 过载能力越强。
AB曲线上任一点： tan max 2 m 1 r
因此只要知道了r，求得，从O作相应连线 OH，H点的纵坐标即为所求的疲劳极限。
H
A
B
O
m
45
C
min max(min)—m图
AB曲线是不同r下的max，AC曲线是不同r下 的min。此图是脆性材料的疲劳图，对于塑性材料， 应该用屈服强度0.2进行修正。
此题中，m=13，n=4，
故R=1/13× (2×546＋5×519＋5×492＋1×464)=508MPa
2021年10月21日 星期四
第五章 金属的疲劳
测定时注意两个问题：
第一级应力水平要略高于预计的疲劳极限。对于钢
材，R≈0.45b~ 0.5b，建议取1＝0.5b。应力增量 一般为预计疲劳极限的3％~5％，钢材取

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四、复合材料疲劳破坏的机理
和金属材料相比，复合材料具有良好的 疲劳性能，有以下特点： 1) 有多种疲劳损伤形式：如界面脱粘、分 层、纤维断裂等； 2) 不会发生瞬时的疲劳破坏：常用疲劳过 程中材料弹性模量下降的百分数等判据 3) 较大的应变会使纤维基体变形不协调引 起纤维基体界面开裂形成疲劳源，对应变 尤其是压缩应变特别敏感； 4) 疲劳性能和纤维取向有关：沿纤维方向 好。
由于聚合物为粘弹性材料，具有较大的 应力滞后环，所以在应力循环中部分机械 能转化为热能，温度升高，产生热疲劳失 图5-8 高分子材料的疲劳断口 效。
聚合物疲劳断口有两种特征条纹：疲劳 辉纹(fatigue striation 10微米左右), 疲劳 斑纹(fatigue marking 50微米左右)；
按接触和环境情况不同：分大气疲劳、腐蚀疲劳、高温疲劳、接触疲劳、 热疲劳等。
按断裂寿命和应力高低不同：分高周疲劳（Nf﹥105 ,σ﹤σs，也称低应力 疲劳）；低周疲劳（Nf=102~105，σ≧ σs，有塑性应变发生, 也称高应 力疲劳.
9
3、疲劳破坏的特点： (1) 一种潜藏的突发性破坏，呈脆性断裂。 (2) 疲劳破坏属低应力循环延时断裂, 是具有寿命的断裂。 (3) 对缺陷(缺口、裂纹等)具有高度的敏感性。 (4) 疲劳断裂也是裂纹萌生和扩展过程，但因应力水平低，
直至断裂；
④测定应力循环数N,；
(σ1,N1),(σ2,N2)… ⑤绘制σ(σmax)-N(lg N)曲线。
21
图5-10 旋转弯曲疲劳试验机和曲线
图5-11 旋转弯曲疲劳试验机的示意图
试样受铅垂力作用而承受纯弯矩，当电机拖动试样高速 旋转时，试样上的应力值拉压对称交变，使材料承受对 22 称应力疲劳考验。

例如：紧螺栓联接的螺栓 承受轴向变载荷时
min m a 常数
m a min
两
OGEF区：疲劳强度区
个
区
域
SEF区：静强度区
其安全系数见有关公式．
G E
F
r m ax ra rm
r max S
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2、复合稳定循环变应力的安全系数
例如：转轴工作时，往往同时产生弯曲应力和扭转应力，即在复合循环变应 力状态下工作。
安全系数法
许用的安全系数
危险截面处 的安全系数
S S
1. 单向稳定变应力的安全系数 ⑴当试件受对称循环应力作用时
①对于试件，安全系数为：
机械零件受单向应力，是 指其只承受单向正应力或单向 切应力。
S
1 a
或
S
1 a
②对于实际工作的零件，还应考虑综合影响因素，则零件的实际安全系数为：
S
两
OAE区：疲劳强度区
个
区
域
OSE区：静强度区
其安全系数见公式。
r m ax ra rm r max S
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②σm=常数的情况 （例如：振动着的弹簧）
H
两
OAEH区：疲劳强度区
个
区
域
SEH区：静强度区
其安全系数见见公式。
r m ax ra rm
r max S
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③σmin=常数的情况
☆疲劳失效的特点
⑴工作应力值较低；
⑵疲劳失效过程：裂纹萌生、裂纹扩展和断裂；
⑶疲劳断口特征：
贝壳纹
2
☆变应力的种类
稳定循环
变
变应力
应
力
的
种
类
非稳定循

2
2020年8月3日星 期一
第五章 金属的疲劳
影 响 因 素
3
工作条件
载荷条件 载荷频率 环境温度 环境介质
表面状态及 尺寸因素
尺寸效应 表面粗糙度 缺口效应
应 应 过次平
力 力 载载均
状 比 情情应
态
况况力
表面处理 材料因素
表面喷丸及滚压
表面热处理
表面涂层 化学成分 组织结构 各向异性 内部缺陷
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2020年8月3日星 期一
第五章 金属的疲劳
喷丸只对承受弯曲、扭转疲劳的机件有用， 对拉压疲劳机件虽可阻止裂纹在表面萌生， 但却助长了裂纹在次表面的萌生，不仅不 利于提高疲劳强度，甚至有害。
滚压和喷丸类似，不过其压应力层深度较 大，适用于大工件，表面粗糙度低时强化 效果更好，但要求工件形状相对简单。提 高疲劳寿命的程度比喷丸要高1倍以上。
第五章 金属的疲劳
试验表明，加载应力低于并接近疲劳极限时，间歇提高疲 劳寿命比较明显，而间歇过载加载对疲劳寿命不但无益，甚至有害。 因为次载时有疲劳强化，间歇有应变时效强化，故能提高疲劳寿命。 而过载造成损伤累积有疲劳弱化，间歇没有效果。次载间歇有一个 最佳的间歇时间，与加载应力的大小有关，应力高，最佳间歇期短， 应力低，最佳间歇期长。间歇间隔周次也有一个最佳值，只有用合 适的间歇时间和最佳的间隔周次进行间歇加载，才会有效提高疲劳 强度和寿命。
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2020年8月3日星 期一
第五章 金属的疲劳
表面热处理及表面化学热处理：
整体加热(低淬透性钢、薄壳件)
利 表面淬火 火焰加热
用组织
相变获得表
感应加热
面强化，可使机
件获得表硬心韧的 表面化学热处理

飞机的疲劳、腐蚀和磨损是引起飞机事故的3种主要模式。 据国外资料统计，飞机由结构引发的故障，80%以上是由疲 劳失效引起的。飞机疲劳寿命主要取决于两个方面因素：一 方面是飞机自身的内部因素，即飞机结构的疲劳设计、材料 和加工质量等；另一方面是飞机的外部因素，即飞机的实际 使用载荷。
前言
材料的疲劳问题研究从近150多年开始一直受到人们的关注，原因 之一就是工程中的零件或构件的破坏80%以上是由于疲劳引起。
图5-5 疲劳微裂纹的3种形式
晶界或亚晶 界处开裂
1、疲劳裂纹的萌生 在循环载荷的作用下，会在试件表面形成循环滑
移带。循环滑移带在表面加宽过程中，还会出现挤出 脊和侵入沟，随着挤出脊高度与侵入沟深度的不断增 加。侵入沟就像很尖锐的微观缺口，应力集中严重， 疲劳微裂纹也就易在此处萌生。
图5-6 金属表面“挤出”与“侵入”并形
三、疲劳断口的宏观特征
机件疲劳破坏的疲劳源可以是一个，也可以是 多个，它与机件的应力状态及过载程度有关。如单 向弯曲疲劳仅产生一个源区，双向反复弯曲可出现 两个疲劳源。过载程度愈高，名义应力越大，出现 疲劳源的数目就越多。若断口中同时存在几个疲劳 源，可根据每个疲劳区大小、源区的光亮程度确定 各疲劳源产生的先后，源区越光亮，相连的疲劳区 越大，就越先产生；反之，产生的就晚。
3、复合材料的疲劳破坏机理
疲劳破坏特点： (1)有多种疲劳损伤形式：如界面脱粘，分层、 纤维断裂、空隙增长等。实际上，每种损伤模 型都是由多种微观裂纹(或微观破坏)构成的。 损伤沿着最佳方位起始和扩展，可以一种或多 种形式出现。
3、复合材料的疲劳破坏机理
⑵复合材料不会发生瞬时的疲劳破坏，常常难以确 认破坏与否，故不能沿用金属材料的判断准则。常 以疲劳过程中材料弹性模量下降的百分数(如下降l ％~2％)、共振频率变化(如1~2Hz)作为破坏依据。

树脂材料拉伸曲线
10
20
30
e(%)
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
s(MPa)
低碳钢
锰钢
硬铝
退火球墨铸铁
延展性或塑性的表征
延伸率 elongation 断面收缩率 reduction of area
< 5%： 脆性材料
塑性材料和脆性材料力学性能比较:
塑性材料
各种材料的能带结构
2.4.2 介电性能 Dielectric Property
电容C（capacitance）——电荷量q与电压V的比值：
平板电容计算： C = (A/L)
：介电常数，表征材料极化和储存电荷的能力； 相对介电常数r： r=/0 (介质常数、介电系数或电容率)
2.3.2 热膨胀 thermal expansion
势能一原子间距离曲线
假想的
实际的
热膨胀现象解释
金属和无机非金属材料的线膨胀系数较小； 聚合物材料则较大。
键强与热膨胀
膨胀的差异 ——原子间的键合力越强，则热膨胀系数越小。
热量通量q ： 热导率：表征物质热传导性能的物理量。 单位：Wm-1K-1，或 calcm-1s-1K-1 1 calcm-1s-1K-1=4.2102 Wm-1K-1
溶蚀性 耐腐蚀性 抗渗透性 抗氧化性
——材料抵抗各种介质作用的能力
化学稳定性
2.1 化学性能 Chemical Performance
氧化物成核 生长 氧溶解
氧化膜生长 内氧化
缝隙 孔洞 微裂纹
宏观裂纹
吸附
（1）化学锈蚀

段；
• sb段：均匀塑性变形阶段，是
强化阶段。
Δl • b点：形成了“缩颈”。 • bk段：非均匀变形阶段，承 载下降，到k点断裂。 • 断裂总伸长为Of，其中塑形 变形Og(试样断后测得的伸 长)，弹性伸长gf。
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图2-5 拉伸曲线（位移曲线）和应力-应变曲线
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• 若将纵坐标以应力σ(σ= P/A0, A0 为试样原始截面积，图23)表示，横坐标以应变ε(ε=(L/ L0, L0为试样标距)表示， 则这时的曲线与试样的尺寸无关，称为应力-应变曲线或σ-ε 曲线（图2-5）。
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§3 材料的动态力学性能
一、冲击韧性( notch toughness )
1．静载荷与动载荷 应 变 速 率 在 10-2 毫 米 / 秒 以 上 的 载 荷 属 于 动 载 荷 （ 即 冲 击 载
荷）。 2．韧性
金属抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。
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材料在冲击载荷作用下抵抗破 坏的能力。
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4）抗拉强度 σb 当拉伸试样屈服以后，欲继续变形，
必须不断增加载荷。当载荷达到最大值 Pb后，试样的某一部位截面开始急剧缩 小，出现了"颈缩"，致使载荷下降，直 到最后断裂。试样能承受的最大载荷除 以试样原始截面积所得的应力，称为抗 拉强度，记为σb, 即:
σb = Pb/ F0
名称 密度 (g / cm3)
纯铝 2.7
强度
( Mpa ) 80～100
比强度 30～37
纯铁 7.87 180～280 23～36
纯钛 4.5 405～500 90～111
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材料内部的微裂纹、孔洞和杂质等缺 陷，会在应力集中处引发应力集中， 导致疲劳裂纹的萌生和扩展。
微观组织
材料的微观组织结构，如相的组成和 分布，也会影响疲劳性能。例如，多 相合金的1 02
温度
温度对材料的疲劳性能有显著影响。在低温环境下，金属材料的疲劳强 度通常会提高；而在高温环境下，由于蠕变和氧化等作用，疲劳强度会 降低。
疲劳数据的处理与解释
数据整理
对实验数据进行整理，包 括应力、应变、寿命等数 据。
数据分析
对整理后的数据进行统计 分析，找出材料的疲劳规 律。
结果解释
根据数据分析结果，解释 材料的疲劳行为和机理。
疲劳寿命预测
经验公式法
利用已知材料的疲劳试验数据，建立经验公式来 预测其他条件下的疲劳寿命。
有限元分析法
由于温度循环或热冲击引起的 疲劳。
环境疲劳
由于腐蚀、氧化、辐射等因素 引起的疲劳。
疲劳的危害
01
02
03
结构安全
疲劳失效可能导致结构突 然断裂，从而造成严重事 故和人员伤亡。
经济损失
频繁的疲劳失效会导致设 备维修和更换成本的增加 ，影响生产效率和经济效 益。
社会影响
疲劳失效可能对公共安全 和基础设施造成威胁，如 桥梁、铁路、管道等。
应力均值
应力均值也会影响材料的疲劳寿 命，通常应力均值越高，疲劳寿 命越长。
应力循环特征
应力循环具有对称性和非对称性 两种特征，对称循环下材料的疲 劳寿命较长，而非对称循环下材 料的疲劳寿命较短。
材料的疲劳极限
疲劳极限的定义
01
材料在一定条件下抵抗疲劳的能力，即在一定的应力幅值和循
环次数下不发生疲劳断裂的最大应力值。

金属疲劳的微观机理还包括位错的运动。在循环应力作用下 ，位错会沿着滑移面运动，逐渐积累形成微裂纹。这些微裂 纹会扩展并连接起来，最终导致金属断裂。
金属疲劳的宏观机理
金属疲劳的宏观机理主要涉及宏观尺度的物理过程。在循 环应力作用下，金属会发生塑性变形，导致应力集中和微 裂纹的形成。随着时间的推移，这些微裂纹会扩展并连接 起来，最终导致金属断裂。
断口分析
对金属材料的断口进行微观分析，了解其疲 劳断裂机理。
X射线检测
通过X射线检测金属内部的疲劳损伤和裂纹 。
金属疲劳的预测模型
线性累积损伤模型
基于线性累积损伤理论，预测金属的 疲劳寿命和断裂行为。
非线性累积损伤模型
考虑非线性因素，更准确地预测金属 在复杂应力状态下的疲劳寿命。
断裂力学模型
基于断裂力学理论，预测金属的疲劳 裂纹扩展行为和寿命。
钢的疲劳性能和断裂机制。
THANKS
感谢观看
金属材料的晶体结构和相组成
金属材料的晶体结构和相组成对其疲劳性能也有重要影响，例如多相合金的疲劳性能受各相比例和相界面的影响 。
应力状态和应力集缺陷引起的应力集中现象，会 显著降低金属的疲劳性能。
应力状态
金属在复杂应力状态下的疲劳行 为与单轴应力状态下存在差异， 例如在多轴应力状态下，金属的 疲劳强度可能会降低。
压力容器接管的低周疲劳失效分析
压力容器接管在循环载荷下容易发生低周疲劳失效，这种失效通常与接管的几何形 状、材料特性、应力水平和循环特性等因素有关。
低周疲劳失效通常表现为接管局部区域的塑性变形和裂纹萌生，这些裂纹会随着循 环次数的增加而逐渐扩展，最终导致接管断裂。
分析压力容器接管的低周疲劳失效问题，需要综合考虑接管的应力分布、应变状态 、循环次数和温度等因素，以评估接管的疲劳寿命和安全性。

第二章
1.非理想弹性变形（概念）
滞弹性、伪弹性、内耗
2.塑性变形
塑性变形——加工硬化/形变硬化/应变硬化 实际应用意义所在Βιβλιοθήκη 第三章1.断裂类型
解理断裂、微孔聚集断裂各自微观断口特征
解理断裂:解理台阶，河流花样，舌状花样
微孔聚集断裂 断口上分布大量“韧窝”
韧窝形状受一些因素的影响
韧窝形状：视应力状态不同而异 有三类：等轴韧窝、拉长韧窝和撕裂韧窝。 1）等轴状韧窝： 微孔在垂直于正应力的平面上各方向长大倾向相
材料性能学
复习
第一章
1.拉伸曲线
要求会画各种材料的拉伸曲线，会在曲线上标出 力学性能指标
典型的塑性材料
低中碳退火态材料 40,45,20等
几乎无塑性 铸铁
多数材料介于这两者之间
2.各种性能指标的意义及表示方法
弹性、塑性、
3.其他载荷下的力学性能
应力状态软性系数、压缩曲线、扭转曲线
4.硬度
HB、HR、HV用途，课后题19
结束语
当你尽了自己的最大努力时，失败也是伟大的， 所以不要放弃，坚持就是正确的。
When You Do Your Best, Failure Is Great, So Don'T Give Up, Stick To The End
谢谢大家
荣幸这一路，与你同行
It'S An Honor To Walk With You All The Way
2.什么是韧脆转变现象
3.断裂韧度
KI、KIC意义以及表达式 断裂韧度工程应用
1.变动应力
第四章
2.S-N曲线绘制及疲劳极限
3.疲劳缺口敏感度
第五章