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材料力学中的材料疲劳性能测试技术材料疲劳性能是指材料在循环加载下的抗疲劳裂纹扩展能力，是评估材料可靠性和寿命的重要指标。
为了研究材料的疲劳性能，科学家们发展了许多测试技术。
本文将探讨几种主要的材料疲劳性能测试技术。
一、旋转梁疲劳试验旋转梁疲劳试验是材料疲劳性能测试的一种常见方法。
试验时，材料样品被固定在旋转梁上，通过施加交变载荷，观察材料在循环加载下的疲劳裂纹扩展情况。
通过测量材料断裂扭矩和载荷周期，可以确定其疲劳寿命和裂纹扩展速率。
二、拉-推疲劳试验拉-推疲劳试验是一种常用的材料疲劳测试方法。
试验时，材料样品被制成拉杆形状，分为拉伸和推压两个阶段。
在循环加载过程中，通过测量材料的载荷和位移，可以得到材料在拉伸和推压过程中的疲劳性能数据，如疲劳强度、残余强度和疲劳寿命。
三、旋转弯曲疲劳试验旋转弯曲疲劳试验是一种用于测试金属材料疲劳性能的方法。
试验时，材料样品被固定在旋转臂上，通过施加旋转和弯曲载荷，观察材料在循环加载下的裂纹扩展行为。
通过测量载荷和位移，可以计算出材料的疲劳寿命和裂纹扩展速率。
四、交变剪切疲劳试验交变剪切疲劳试验是一种测试材料疲劳性能的方法，适用于各种金属和非金属材料。
试验时，材料样品被固定在剪切试验机上，施加正交变剪切载荷，观察材料在循环加载过程中的裂纹扩展情况。
通过测量载荷和位移，可以确定材料的疲劳寿命和剪切裂纹扩展速率。
五、高温疲劳试验高温疲劳试验是一种用于测试材料在高温环境下的疲劳性能的方法。
试验时，材料样品被置于高温环境中，通过施加交变载荷，观察材料在高温下的疲劳裂纹扩展情况。
通过测量载荷、温度以及裂纹扩展速率，可以确定材料在高温环境下的疲劳寿命和性能。
总结：材料疲劳性能测试技术在材料力学中起着重要的作用。
通过旋转梁疲劳试验、拉-推疲劳试验、旋转弯曲疲劳试验、交变剪切疲劳试验以及高温疲劳试验等方法，可以获得材料的疲劳寿命、裂纹扩展速率等关键性能参数，为材料的设计和使用提供参考依据。
材料疲劳性能的改善策略在现代工业和机械制造中，材料疲劳是一个非常常见的问题，而且这个问题对性能和安全性都有着非常大的影响。
因此，在材料设计和制造的过程中，需要考虑如何改善材料的疲劳性能。
本文将介绍几种常见的材料疲劳性能的改善策略。
1.材料加强这是一个常见的改善材料疲劳性能的策略。
材料加强可以通过多种方式实现，例如增加材料的强度和硬度，改善材料的晶体结构等。
通过这些方式来加强材料，可以使其在受到疲劳循环时不会轻易发生变形和断裂，从而提高材料的疲劳寿命。
举个例子，一些机械零件常常需要承受高频的往返运动，因此需要使用高强度的材料来保证零件的性能和寿命。
使用高强度材料可以提高零件的抗疲劳性能，从而减小由于材料疲劳导致的机械故障和事故的概率。
2.疲劳裂纹的控制材料疲劳往往是由于材料内部的裂纹逐渐扩展导致的。
因此，控制疲劳裂纹的扩展是另一个改善材料疲劳性能的策略。
在制造高质量材料时需要注意材料的缺陷與裂纹。
例如，通过卫星制造中使用红外光谱和其他分析方法对材料进行检测，可以检测出难以被肉眼发现的缺陷，从而减少可裂纹数量，提高机器的使用寿命。
此外，金属的应力集中区往往是疲劳裂纹的起点，因此可以采用缓和应力集中的技术，例如减小材料表面的角度和坚持清晰的弯曲圆弧轮廓，从而减小疲劳裂纹的产生和扩展。
3.防腐蚀处理氧化和腐蚀对金属的损伤非常严重，不仅会降低金属的强度和硬度，也会增加材料的疲劳性。
因此，采取正确的措施，使该金属得到良好的防腐蚀处理是改善材料疲劳性能中的另一个关键因素。
防腐蚀涂层可以很好地保护材料不受氧化和腐蚀的侵蚀，从而减少疲劳性的损害。
将材料进行处理使其表面更加平滑和坚硬，表面的韧性也要考虑，并防止微粒腐蚀。
此外，材料的表面处理也可以影响其疲劳性能，例如电子束熔覆和真空热处理技术。
4.材料设计的优化在材料的设计中，需要优化材料的微结构和晶粒大小等因素，以提高其疲劳性能。
调整材料的组成和处理过程等，也可以提高对抗疲劳加速缺陷的能力，例如选择适合的合金元素可以在保持强度和硬度的情况下提高疲劳寿命。
材料的疲劳性能评估与寿命材料的疲劳性能评估是一个重要的领域，它在工程和科学领域中具有广泛的应用。
评估材料的疲劳性能能够帮助工程师和科学家预测材料在实际使用中的寿命，从而确保材料的可靠性和安全性。
本文将探讨材料的疲劳性能评估方法以及与寿命的关系。
一、疲劳性能的概念疲劳性能指的是材料在受到交变应力作用下，随时间逐渐发生的损伤或破坏。
疲劳性能通常通过疲劳寿命来评估，即材料在特定应力水平下可以承受多少次疲劳循环，直到发生破坏。
疲劳性能的评估对于许多行业来说至关重要，比如航空航天、汽车制造和桥梁建设等。
二、疲劳性能评估方法1. 疲劳试验疲劳试验是评估材料疲劳性能最常用的方法之一。
它通过施加交变载荷，在不同应力水平下进行循环加载，记录材料的变形和裂纹扩展情况。
通过分析试验数据，可以得到材料的疲劳寿命和疲劳强度等参数。
疲劳试验需要考虑许多因素，如载荷频率、温度和湿度等。
2. 数值模拟数值模拟是一种通过计算机仿真来评估材料疲劳性能的方法。
数值模拟可以基于实验数据或材料的力学性质来建立模型，通过加载历史和材料特性来预测疲劳寿命。
数值模拟方法可以提供更快速和经济的评估过程，并且可以帮助优化材料设计。
3. 材料参数估计材料参数估计是一种通过测量材料的组织结构和物理性质来评估疲劳性能的方法。
通过分析材料的晶粒结构、晶界特征和组织形态等参数，可以预测材料的疲劳寿命。
材料参数估计方法需要依赖先进的显微镜技术和材料科学的知识。
三、疲劳性能与寿命的关系材料的疲劳性能与寿命密切相关。
材料的疲劳性能评估可以帮助工程师确定材料在实际工作条件下的可靠性和安全性，并预测材料的使用寿命。
优秀的疲劳性能可以延长材料的使用寿命，提高产品的质量和可靠性。
在实际工程中，为了评估材料的疲劳性能和寿命，需要考虑材料的强度、韧性、断裂韧性和变形能力等因素。
这些因素对于材料的疲劳行为和性能有着重要的影响。
此外，材料的疲劳性能也与环境因素有关。
温度、湿度和腐蚀等环境条件会影响材料的疲劳性能和寿命。
疲劳性能的名词解释疲劳性能是指材料在循环加载下抵抗疲劳破坏的能力。
在工程领域中，疲劳性能是一个重要的指标，因为大部分工程材料都会承受来自振动、震动、往复负荷等循环加载的作用，而长时间的循环加载容易导致材料疲劳破坏。
材料的疲劳性能由多种因素影响，包括材料的结构、组织、力学性质以及实际应用环境等。
在解释疲劳性能之前，我们需要先了解一下疲劳现象的发生机制。
疲劳破坏是由于材料在交变载荷下，发生了局部的应力和应变集中，导致了微小裂纹的产生和扩展，最终引起裂纹扩展至材料的断裂。
这个过程可以用疲劳寿命曲线来描述，曲线上通常包含着几个特殊阶段。
首先是初始阶段，此时材料受到振动或往复负荷作用的初期，应力集中在材料表面，形成微小裂纹。
其次是传播阶段，随着循环次数的增加，裂纹开始扩展并逐渐影响材料的整体性能。
最后是失效阶段，当裂纹扩展至一定程度，无法再承受正常负载时，材料会发生疲劳破坏。
疲劳性能评价的一个重要参数是疲劳寿命，即材料在特定循环次数下发生疲劳破坏的时长。
疲劳寿命通常由S-N曲线（应力-循环次数曲线）来表示，它显示了材料在不同应力水平下的疲劳寿命。
该曲线上通常有三个关键指标，即疲劳极限、疲劳强度和疲劳极限循环次数。
疲劳极限是指材料在无限次循环加载下不发生疲劳破坏的应力水平，它是材料疲劳性能的重要指标之一。
疲劳强度是指材料在特定的循环次数下能够承受的最大应力水平。
而疲劳极限循环次数表示在特定的应力水平下，材料能够承受多少次循环加载，才会发生疲劳破坏。
材料的疲劳性能受到多种因素的影响。
首先是材料的组织结构，如晶粒大小、晶界特性等。
细小的晶粒和良好的晶界结合会提高材料的疲劳性能。
其次是应力水平和应力幅度，较低的应力水平和较小的应力幅度会延长材料的疲劳寿命。
此外，温度、湿度、腐蚀环境等也对材料的疲劳性能有影响。
为了改善材料的疲劳性能，人们采取了一系列的措施。
例如，通过增加材料的硬度和强度，改变材料的组织结构，提高晶界的结合力等方式来增强材料的疲劳性能。
材料的疲劳极限名词解释在物理学和工程领域，材料的疲劳极限是指材料在连续循环加载中能够承受的最大应力水平。
疲劳极限是衡量材料抗疲劳性能的一个重要指标，了解疲劳极限能够帮助我们预测材料在实际使用中的寿命和耐久性。
材料在使用过程中经历的力量往往是变化的，而不是一成不变的。
例如，机械零件在运行中会承受拉伸、压缩、弯曲等各种形式的力量。
即使这些力量远低于材料的屈服极限，长期受力仍可能导致材料疲劳破裂。
这是因为材料在加载过程中存在微小的应力集中，这些应力集中容易导致材料内部的裂纹形成和扩展，最终引发断裂。
疲劳极限与常规的屈服极限不同。
屈服极限是指材料在静态加载下产生塑性变形的临界强度，而疲劳极限是指材料在动态加载下承受无数次循环应力后出现裂纹扩展的应力水平。
尽管疲劳极限往往较低于屈服极限，但它对材料在实际使用中的寿命和可靠性具有重要影响。
材料的疲劳极限是通过疲劳试验来测定的。
疲劳试验通常采用拉伸、弯曲或旋转等加载方式，通过施加不同的应力水平和频率，以确定材料在循环应力下的疲劳性能。
试验结果会得出一个疲劳寿命曲线，其中包括疲劳极限和破裂区域。
除了应力水平，材料的疲劳寿命还受到许多其他因素的影响，例如温度、湿度、试样形状和大小、表面处理等。
这些因素会改变材料的内部结构，进而影响材料的疲劳强度。
为了提高材料的抗疲劳性能，工程师和科学家们进行了大量的研究和改进。
一种常见的方法是改善材料的微观结构，例如通过更均匀的组织和减少缺陷来提高材料的疲劳寿命。
此外，合适的热处理和表面处理也可以显著影响材料的疲劳性能。
工程师们还会考虑加载条件和设计参数，以减少材料的疲劳应力集中。
疲劳失效是一种非常危险的事故形式，尤其在机械和航空等重要工程应用中。
如果材料疲劳失效，不仅会导致设备损坏和生产停止，还会引发重大的安全隐患。
因此，对材料的疲劳极限的了解和评估在工程实践中至关重要。
总结一下，材料的疲劳极限是指材料在连续循环加载中所能承受的最大应力水平。
材料的疲劳性能一.本章的教学目的与要求本章主要介绍材料的疲劳性能，要求学生掌握疲劳破坏的定义和特点，疲劳断口的宏观特征，金属以及非金属材料疲劳破坏的机理，各种疲劳抗力指标，例如疲劳强度，过载持久值，疲劳缺口敏感度，疲劳裂纹扩展速率以及裂纹扩展门槛值，影响材料疲劳强度的因素和热疲劳损伤的特征及其影响因素，目的是为疲劳强度设计和选用材料建立基本思路。
二．教学重点与难点1. 疲劳破坏的一般规律（重点）2．金属材料疲劳破坏机理（难点）3. 疲劳抗力指标（重点）4.影响材料及机件疲劳强度的因素（重点）5热疲劳（难点）三．主要外语词汇疲劳强度：fatigue strength 断口：fracture 过载持久值：overload of lasting value 疲劳缺口敏感度：fatigue notch sensitivity 疲劳裂纹扩展速率：fatigue crack growth rate 裂纹扩展门槛值：threshold of crack propagation 热疲劳：thermal fatigue四. 参考文献1.张帆，周伟敏.材料性能学.上海：上海交通大学出版社，20092.束德林.金属力学性能.北京：机械工业出版社，19953.石德珂，金志浩等.材料力学性能.西安：西安交通大学出版社，19964.郑修麟.材料的力学性能.西安：西北工业大学出版社，19945.姜伟之，赵时熙等.工程材料力学性能.北京：北京航空航天大学出版社，19916.朱有利等.某型车辆扭力轴疲劳断裂失效分析[J]. 装甲兵工程学院学报，2010,24（5）：78-81五．授课内容第五章材料的疲劳性能第一节疲劳破坏的一般规律1、疲劳的定义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。
2、变动载荷指大小或方向随着时间变化的载荷。
变动应力：变动载荷在单位面积上的平均值分为：规则周期变动应力和无规则随机变动应力3、循环载荷（应力）的表征①最大循环应力：σmax②最小循环应力：σmin③平均应力：σm=（σmax +σmin）/2④应力幅σa或应力范围Δσ：Δσ=σmax-σminσa=Δσ/2=（σmax-σmin）/2⑤应力比（或称循环应力特征系数）：r= σmin/σmax5、循环应力分类按平均应力、应力幅、应力比的不同，循环应力分为①对称循环σm=（σmax+ σmin）/2=0 r=-1属于此类的有：大多数旋转轴类零件。
②不对称循环σm≠0如：发动机连杆、螺栓（a）σa> σm>0，-1<r<0（b）σa> 0，σm<0，r<-1③脉动循环σm=σa>0，r=0（σmin=0）如：齿轮的齿根、压力容器。
σm=σa<0，r=∞（σmax=0）如：轴承（压应力）④波动循环σm> σa0<r<1 σmin>0 如：发动机气缸盖、螺栓。
⑤随机变动应力应力大小、方向随机变化，无规律性。
如：汽车、飞机零件、轮船。
二、疲劳破坏的特点在变动载荷作用下，材料薄弱区域，逐渐发生损伤，损伤累积到一定程度→产生裂纹，裂纹不断扩展→失稳断裂。
特点：从局部区域开始的损伤，不断累积，最终引起整体破坏。
1、潜藏的突发性破坏，脆性断裂（即使是塑性材料）。
2、属低应力循环延时断裂（滞后断裂）。
3、对缺陷十分敏感（可加速疲劳进程）。
三、疲劳破坏的分类1、按应力状态：弯曲疲劳扭转疲劳拉压疲劳接触疲劳复合疲劳2、按应力大小和断裂寿命N>105，б<бs 高周疲劳→低应力疲劳N=102～105，б≥бs 低周疲劳→高应力疲劳四、疲劳破坏的表征—疲劳寿命疲劳寿命：材料疲劳失效前的工作时间，即循环次数N 。
疲劳曲线: 应力б↑，N↓五、疲劳断口的宏观特征典型疲劳断口具有3个特征区：疲劳源 疲劳裂纹扩展区 瞬断区1、疲劳源疲劳裂纹萌生区，多出现在零件表面，与 加工刀痕、缺口、裂纹、蚀坑等相连。
特征：光亮，因为疲劳源区裂纹表面受反复挤压、摩擦次数多。
疲劳源可以是一个，也可以有多个。
如：单向弯曲，只有一个疲劳源；双向弯曲，可出现两个疲劳源。
2、疲劳裂纹扩展区（亚临界扩展区）特征：断口较光滑并分布有贝纹线或裂纹扩展台阶。
贝纹线是疲劳区最典型的特征，是一簇以疲劳源为圆心的平行弧线，凹侧指向疲劳源，凸侧指向裂纹扩展方向，近疲劳源区贝纹线较细密（裂纹扩展较慢），远疲劳源区贝纹线较稀疏、粗糙（裂纹扩展较快）。
σNσ贝纹线（海滩花样）贝纹线区的大小取决于过载程度及材料的韧性，高名义应力或材料韧性较差时，贝纹线区不明显；反之，低名义应力或高韧性材料，贝纹线粗且明显，范围大。
名义载荷根据额定功率用力学公式计算出作用在零件上的载荷。
即机器平稳工作条件下作用于零件上的载荷。
计算载荷=载荷系数*名义载荷3、瞬断区裂纹失稳扩展形成的区域断口特征：断口粗糙，脆性材料断口呈结晶状；韧性材料断口在心部平面应变区呈放射状或人字纹状；表面平面应力区则有剪切唇区存在。
瞬断区一般在疲劳源对侧瞬断区大小与名义应力、材料性质有关高名义应力或脆性材料，瞬断区大；反之，瞬断区小。
第二节疲劳破坏的机理一、金属材料疲劳破坏的机理1、疲劳裂纹的萌生（形核）第Ⅰ阶段在循环应力作用下，裂纹萌生常在材料薄弱区或高应力区。
通过不均匀滑移或显微开裂（如第二相、夹杂物、晶界或亚晶界）等方式完成。
通常将长0.05-0.10mm的裂纹定为疲劳裂纹核，对应的循环周期N，为微裂纹萌生期。
驻留滑移带：在循环载荷作用下，即使循环载荷未超过材料屈服强度，也会在材料表面形成循环滑移带—不均匀滑移，其与静拉伸形成的均匀滑移不同，循环滑移带集中于某些局部区域，用电解抛光法也难以去除，即使去除了，再重新循环加载，还会在原处再现。
不均匀滑移驻留滑移带在表面加宽过程中，会形成挤出脊和侵入沟，从而引起应力集中，形成疲劳微裂纹→形核（萌生）。
挤出和侵入模型表面易产生疲劳裂纹的原因（1）在许多载荷方式下，如扭转疲劳，弯曲和旋转弯曲疲劳等，表面应力最大。
（2）实际构件表面多存在类裂纹缺陷，如缺口，台阶，键槽，加工划痕等，这些部位极易由应力集中而成为疲劳裂纹萌生地。
（3）相比于晶粒内部，自由表面晶粒受约束较小，更易发生循环塑性变形。
（4）自由表面与大气直接接触，因此，如果环境是破坏过程中的一个因素，则表面晶粒受影响较大。
2、疲劳裂纹的扩展→ 第Ⅱ阶段疲劳裂纹形核后，在室温及无腐蚀条件下第Ⅰ阶段属于微裂纹扩展第Ⅱ阶段呈穿晶扩展，扩展速率da/dN 随N的增加而增大。
在多数韧性材料的第Ⅱ阶段，断口用电子显微镜可看到韧性条带而脆性材料中可看到脆性条带。
疲劳条带（辉纹）呈略弯曲并相互平行的沟槽状花样，与裂纹扩展方向垂直。
与贝纹线不同,疲劳条带是疲劳断口的微观特征。
疲劳条带形成的原因：裂纹尖端的塑性张开，钝化和闭合钝化，使裂纹向前延续扩展疲劳裂纹的形成与扩展模型。
韧性疲劳条带与脆性疲劳条带形貌疲劳条带的形成模型(Laird-Smith模型）：疲劳条带的形成模型—再生核模型（F-R）韧性条带与脆性条带的区别：二、非金属材料疲劳破坏机理1、陶瓷材料的疲劳破坏机理静态疲劳相当于金属中的延迟断裂，即在一定载荷作用下，材料耐用应力随时间下降的现象。
动态疲劳在恒定加载条件下，研究材料断裂失效对加载速率的敏感性。
循环疲劳在长期变动应力作用下，材料的破坏行为。
陶瓷材料断口呈现脆性断口的特征。
2、高分子聚合物的疲劳破坏机理⑴非晶态聚合物a、高循环应力时，应力很快达到或超过材料银纹的引发应力，产生银纹，随后转变成裂纹，扩展后导致材料疲劳破坏。
b、中循环应力也会引发银纹，形成裂纹，但裂纹扩展速率较低（机理相同）。
c、低循环应力，难以引发银纹，由材料微损伤累积及微观结构变化产生微孔及微裂纹，最终裂纹扩展导致宏观破坏。
⑵结晶态高聚合物或低应力循环的非晶态高聚合物，疲劳过程有以下现象：①整个过程，疲劳应变软化而不出现硬化。
②分子链间剪切滑移，分子链断裂，结晶损伤，晶体结构变化。
③产生显微孔洞，微孔洞合并成微裂纹，并扩展成宏观裂纹。
④断口呈裂纹扩展形成的肋状形态，断口呈丛生簇状结构（拉拔）。
⑶高聚物的热疲劳由于聚合物为粘弹性材料，具有较大面积的应力滞后环，所以在应力循环过程中，外力所做的功有相当一部分转化为热能；而聚合物导热性能差，因此温度急剧升高，甚至高于熔点或玻璃化转变温度，从而产生热疲劳。
热疲劳常是聚合物疲劳失效的主要原因。
因此疲劳循环产生的热量，使聚合物升温，可以修补高分子、的微结构损伤，使机械疲劳裂纹形核困难。
⑷聚合物疲劳断口可观察到两种特征的条纹A、疲劳辉纹每周期的裂纹扩展10μm（间距）。
聚合物相对分子量较高时，在所有应力强度因子条件下，皆可形成疲劳辉纹。
B、疲劳斑纹不连续、跳跃式的裂纹扩展，50μm间距而相对分子量较低时，在较低应力强度因子时，易形成疲劳斑纹。
3、复合材料的疲劳破坏机理⑴复合材料疲劳破坏的特点a、多种疲劳损伤形式：界面脱粘、分层、纤维断裂、空隙增长等。
b、不发生瞬断，其疲劳破坏的标准与金属不同，常以弹性模量下降的百分数1%-2%），共振频率变化（1-2HZ）作为破坏依据。
c、聚合物基复合材料，以热疲劳为主，对加载频率感。
d、较大的应变引起纤维与基体界面开裂形成疲劳源（纤维、基体的变形量不同）压缩应变使复合材料纵向开裂，故对压缩敏感。
e、复合材料的疲劳性能与纤维取向有关纤维是主要承载组分，沿纤维方向具有很好的疲劳强度；而沿纤维垂直方向，疲劳强度较低。
对于复合材料，界面结合非常重要，因为：基体与纤维的E不同，变形量不同，故界面产生很大的剪切应力。
第三节疲劳抗力指标一、疲劳试验方法实验设备：旋转弯曲疲劳试验机实验方法用一组光滑试样，测量σ—N曲线，即疲劳应力—疲劳寿命曲线。
实验标准GB4337—84旋转弯曲疲劳试验机：临界值σ–1材料的疲劳强度σ >σ–1有限循环σ≤σ–1无限循环金属材料的疲劳曲线有两类：碳钢、低合金钢、球铁等有水平线而有色合金、不锈钢、高强度的无水平线取N=106，107或108下的疲劳强度→条件疲劳强度。
二、疲劳强度在指定疲劳寿命下，材料能承受的上限循环应力。
指定的疲劳寿命：无限周次有限周次1、对称循环疲劳强度对称弯曲：σ-1对称扭转：τ-1对称拉压：σ-1p2、不对称循环疲劳强度不对称循环疲劳强度难以用实验方法直接测定。
一般用工程作图法，由疲劳图求出各种不对称循环应力下的疲劳强度。
r=-1~1个状态下的疲劳强度。
由此即可根据已知循环应力比r 求出α值作图，在AHB 上对应点的纵坐标值即为相应的疲劳强度。
注意：上述疲劳图仅适合于脆性材料，对于塑性材料，应该用屈服强度σs 进行修正。
