第05章金属的疲劳

材料得疲劳性能一、本章得教学目得与要求本章主要介绍材料得疲劳性能，要求学生掌握疲劳破坏得定义与特点,疲劳断口得宏观特征,金属以及非金属材料疲劳破坏得机理,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,影响材料疲劳强度得因素与热疲劳损伤得特征及其影响因素,目得就是为疲劳强度设计与选用材料建立基本思路.二。

教学重点与难点1、疲劳破坏得一般规律（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得因素（重点）5热疲劳（难点）三。

主要外语词汇疲劳强度：f a t i g ue st r engt h 断口:fractu r e 过载持久值:o v erlo a d of l a stin g value疲劳缺口敏感度：f atigue notch se n s it i vit y 疲劳裂纹扩展速率：fat i gue crac k gr o wth rate 裂纹扩展门槛值:th res hol d of crac k p r opaga t ion 热疲劳:t herm a l 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,1 99 53、石德珂，金志浩等、材料力学性能、西安：西安交通大学出版社，19 964、郑修麟、材料得力学性能、西安：西北工业大学出版社,19 945、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得疲劳性能第一节疲劳破坏得一般规律1、疲劳得定义材料在变动载荷与应变得长期作用下，因累积损伤而引起得断裂现象,称为疲劳。

2、变动载荷指大小或方向随着时间变化得载荷. 变动应力:变动载荷在单位面积上得平均值分为:规则周期变动应力与无规则随机变动应力3、循环载荷（应力）得表征①最大循环应力：ama x②最小循环应力：a m m③平均应力：nm=（max + c min）/2④应力幅c a或应力范围△ : Ac =1 ax- c min c a= Ac /2=（（axr c m in ）/2⑤应力比（或称循环应力特征系数）：r= m o n/ max5、循环应力分类按平均应力、应力幅、应力比得不同,循环应力分为①对称循环c m= （c m a x + c min）/2=0 r = -1 属于此类得有：大多数旋转轴类零件。

第05章金属的疲劳1．解释下列名词(1) 应力范围△σ；(2) 应变范围△ε；(3) 应力幅σa；(4) 应变幅(△εt／2，△εe／2，△εp／2)；(5) 平均应力σm；(6) 应力比r；(7) 疲劳源；(8) 疲劳贝纹线；(9) 疲劳条带；(10) 驻留滑移带；(11) 挤出脊和侵入沟；(12)ΔK；(13) da/dN；(14) 疲劳寿命；(15) 过渡寿命；(16) 热疲劳；(17) 过载损伤。

2．解释下列疲劳性能指标的意义(1)疲劳强度σ-1、σ-1p、τ-1、σ-1N；(2) 疲劳缺口敏感度qf；(3) 过载损伤界；(4) 疲劳门槛值△Kth。

3．试述金属疲劳断裂的特点。

4．试述疲劳宏观断口的特征及其形成过程。

5．试述疲劳曲线(S—N)及疲劳极限的测试方法。

6．试述疲劳图的意义、建立及用途。

7．试述疲劳裂纹的形成机理及阻止疲劳裂纹萌生的一般方法。

8．试述影响疲劳裂纹扩展速率的主要因素，并和疲劳裂纹萌生的影响因素进行对比分析。

9．试述疲劳微观断口的主要特征及其形成模型。

10．试述疲劳裂纹扩展寿命和剩余寿命的估算方法及步骤。

11．试述σ-1与ΔKth的异同及各种强化方法影响的异同。

12．试述金属表面强化对疲劳强度的影响。

13．试述金属循环硬化和循环软化现象及产生条件。

14．试述低周疲劳的规律及曼森一柯芬关系。

15．试述多冲疲劳规律及提高多冲疲劳强度的方法。

16．)试述热疲劳和热机械疲劳的特征及规律；欲提高热锻模具的使用寿命，应该如何处理热疲劳与其它性能的相互关系?17．正火45钢的σb=610MPa，σ-l=300MPa，试用Goodman公式绘制靠σmax(σmin)一σm疲劳图，并确定σ-0.5、σ0和σ0.5等疲劳极限。

18．有一板件在脉动载荷下工作，σmax=200MPa，σmin =0，其材料的σb=70MPa、σ0.2=600MPa、KIC=104MPa·m1/2，Paris公式中c=6.9×10-12，n=3.0，使用中发现有0.1mm 和1mm的单边横向穿透裂纹，试估算它们的疲劳剩余寿命。

第05章多言数穷【原文】天地不仁①，以万物为刍(chú)狗②。

圣人不仁，以百姓为刍狗。

天地之间，其犹橐(tuó)龠(yuè)乎③?虚而不屈，动而愈出。

多言数穷⑧，不如守中⑤。

【注解】①仁：仁爱、仁慈。

②刍(chú)狗：用野草扎成的狗，古人祭祀时用，用后即扔。

刍，野草。

③橐(tuó)龠(yuè)：古代的风箱。

④数：通“速”。

⑤中：适中的意思。

【译文】天地无所谓仁爱，对待万物像对待祭祀时草扎的小狗一样，任凭万物自然生长;有道的人无所谓仁爱，对待百姓也如同对待刍狗一样，任凭百姓自己发展。

天和地之间，不就像一个风箱吗?虽然中空但永无穷尽，越鼓动风量便愈多，生生不息。

政令名目繁多反而会加速国家的败亡，不如保持虚静。

天地不仁，以万物为刍狗。

【导读】老子表达了自己无神论的思想倾向，反对将天地、“道”进行人格化的观点。

他认为天地是自然的存在，无所谓仁也无所谓不仁，它对世间万物没有特定的感情，只是任其自生自灭、自由发展。

同样，圣人治理天下也应如此，让百姓自劳自息，尊崇自然规则，采取无为而治的方式。

太多的冗政繁令只会让人们不知所从，造成混乱。

【解析】这一章里：老子由天地的“不仁”，讲到圣人的“不仁”，进而提出了“守中”的思想。

和前文不执于一端、“不尚贤”、“无为而治”的思想是一贯的。

其内容主要包括两方面：一是老子再次表述了自己无神论的思想倾向，否定当时思想界存在的把天地人格化的观点。

他认为天地是自然的存在，没有理性和感情，它的存在对自然界万事万物不会产生任何作用，因为万物在天地之间依照自身的自然规律变化发展，不受天、神、人的左右。

二是老子又谈到“无为”的社会政治思想，是对前四章内容的进一步发挥。

他认为，作为圣人——理想的统治者，应当是遵循自然规律，采取无为之治，任凭老百姓自作自息、繁衍生存，而不会采取干预的态度和措施。

“天地不仁，以万物为刍狗。

”王弼说：“天地任自然，无为无造，万物白相治理，故不仁也。

图1 钢合金化原理、主线、核心和设计思路2、结构钢复习小结表1 典型结构钢的特点、应用及演变横向图2 材料成分、工艺、组织、性能间的关系3、合金工具钢复习小结表2 典型工具钢的特点、应用及演变图2 铸铁成分、工艺、组织、性能关系图3 铝合金分类和性能特点总复习提要一、主线、核心和“思想”主线：零件服役条件→技术要求→选择材料→强化工艺→组织结构→最终性能→应用、失效。

寻求最佳方案，充分发掘材料潜力。

（1）同一零件可用不同材料及相应工艺。

例：调质钢符合淬透性原则可代用，柴油机连杆螺栓可用40Cr调质，也可用15MnVB；工模具钢，CrWMn、9SiCr、9Mn2V等钢在有些情况下也可考虑代用。

（2）同一材料，可采用不同的强化工艺。

例：60Si2Mn，有常规中温回火，也可等温淬火；T10钢，淬火方法有水、水-油、分级等。

根据不同零件的服役条件，考虑改进工艺，以达到提高零件寿命的目的。

强化工艺不同，组织有所不同，但都能满足零件的性能要求。

通过分析、试验，可得到最佳的强化工艺。

考虑问题不可呆板、机械、照搬书本，不要认为中C就是调质，低合金超高强度钢就是用低温回火工艺。

弹簧钢就是中温回火?其实，60Si2Mn有时也可用作模具。

某些低合金工具钢也可做主轴，GCr15也可制作量具、模具等。

要学活，思路要宽。

提出独特见解，怎样才能做到?核心：核心是合金化基本原理。

这是材料强韧化矛盾的主要因素，要真正理解“合金元素的作用，主要不在于本身的固溶强化，而在于对合金材料相变过程的影响，而良好的作用只有在合适的处理条件下才能得到体现。

”应该主要从强化机理和相变过程两个方面来考虑。

掌握了合金元素的作用，才能更好地理解各类钢的设计与发展，才能更好地采用热处理等强化工艺。

从钢厂出来，钢成分已定。

如何在这基础上充分优化材料的使用性能，关键就在于热处理等处理工艺。

企业中的许多问题都是因为在材料的加工过程中的工艺存在问题。

总结一下常用合金元素的作用、表现是很有必要的。

第一篇机械工程材料基础金属材料的力学性能1．机器零件或构件工作时，通常不允许发生塑性变形，所以多以σS作为强度设计的依据。

(判断)2．一般来说，硬度越高，耐磨性越好，强度也越高。

(判断)3．材料的δ值越大，其塑性就越好。

(判断)4．材料承受小能量的多次重复冲击的能力，主要取决于冲击韧度值，而不是决定于强度。

(判断)5．金属材料发生疲劳断裂前有显著的塑性变形，且断裂是突然发生的，因此危险性很大。

(判断)6．锉刀硬度的测定方法常用（）。

(单选)A、HBS硬度测定法B、HBW硬度测定法C、HRB硬度测定法D、HRC硬度测定法7．表示金属材料屈服点的符号是（）。

(单选)A、σeB、σSC、σbD、σ-18．下列可用来作为金属材料塑性好坏的判据的是（）。

(单选)A、σbB、ψC、HBSD、HRC9．HRC硬度测定法中，所用压头是（）。

(单选)A、φ1、588mm钢球B、1200金钢石圆锥C、锥面夹角为136°的金刚石正四棱锥体D、硬质合金球10．下列说法错误的是（）。

(单选)A、金属材料的强度、塑性等可通过拉伸试验来测定B、普通铸铁可以进行压力加工C、布氏硬度实验测定的数据准确、稳定、数据重复性好D、疲劳强度常用来作为受循环交变载荷作用的零件选材、检验的依据铁碳合金1．金属结晶时，冷却速度越快，则晶粒越细。

(判断)2．金属的同素异晶转变过程实质上也是一种结晶过程。

(判断)3．固溶强化是指因形成固溶体而引起的合金强度、硬度升高的现象。

(判断)4．碳的质量分数对碳钢力学性能的影响是：随着钢中碳的质量分数的增加，其钢的硬度、强度增加，塑性、韧性也随着增加。

(判断)5．钢中磷的质量分数增加，其脆性增加(判断)6．凡是由液体凝固成固体的过程都是结晶。

(判断)7．结晶就是原子从不规则排列（液态）过渡到按一定几何形状做有序排列（固态）的过程。

(判断)8．在其他条件相同时，铸成薄件的晶粒比铸成厚件的晶粒更粗。

(判断)9．在其他条件相同时，浇注时采用振动的铸件晶粒比不采用振动的铸件晶粒更细。

金属工艺学各章习题及思考题第一篇机械工程材料基础金属材料的力学性能1．机器零件或构件工作时，通常不允许发生塑性变形，所以多以σS作为强度设计的依据。

(判断)2．一般来说，硬度越高，耐磨性越好，强度也越高。

(判断)3．材料的δ值越大，其塑性就越好。

(判断)4．材料承受小能量的多次重复冲击的能力，主要取决于冲击韧度值，而不是决定于强度。

(判断)5．金属材料发生疲劳断裂前有显著的塑性变形，且断裂是突然发生的，因此危险性很大。

(判断)6．锉刀硬度的测定方法常用（）。

(单选)A、HBS硬度测定法B、HBW硬度测定法C、HRB硬度测定法D、HRC硬度测定法7．表示金属材料屈服点的符号是（）。

(单选)A、σeB、σSC、σbD、σ-18．下列可用来作为金属材料塑性好坏的判据的是（）。

(单选)A、σbB、ψC、HBSD、HRC9．HRC硬度测定法中，所用压头是（）。

(单选)A、φ1、588mm钢球B、1200金钢石圆锥C、锥面夹角为136°的金刚石正四棱锥体D、硬质合金球10．下列说法错误的是（）。

(单选)A、金属材料的强度、塑性等可通过拉伸试验来测定B、普通铸铁可以进行压力加工C、布氏硬度实验测定的数据准确、稳定、数据重复性好D、疲劳强度常用来作为受循环交变载荷作用的零件选材、检验的依据铁碳合金1．金属结晶时，冷却速度越快，则晶粒越细。

(判断)2．金属的同素异晶转变过程实质上也是一种结晶过程。

(判断)3．固溶强化是指因形成固溶体而引起的合金强度、硬度升高的现象。

(判断)4．碳的质量分数对碳钢力学性能的影响是：随着钢中碳的质量分数的增加，其钢的硬度、强度增加，塑性、韧性也随着增加。

(判断) 5．钢中磷的质量分数增加，其脆性增加(判断)6．凡是由液体凝固成固体的过程都是结晶。

(判断)7．结晶就是原子从不规则排列（液态）过渡到按一定几何形状做有序排列（固态）的过程。

(判断)8．在其他条件相同时，铸成薄件的晶粒比铸成厚件的晶粒更粗。