材料力学性能第五章-金属的疲劳

金属材料的力学性能-疲劳强度疲劳强度：机械零件，如轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等，在工作过程中各点的应力随时间作周期性的变化，这种随时间作周期性变化的应力称为交变应力（也称循环应力）。

在交变应力的作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象称为金属的疲劳。

疲劳强度是指金属材料在无限多次交变载荷作用下而不破坏的最大应力称为疲劳强度或疲劳极限。

实际上，金属材料并不可能作无限多次交变载荷试验。

一般试验时规定，钢在经受107次、非铁（有色）金属材料经受108次交变载荷作用时不产生断裂时的最大应力称为疲劳强度。

疲劳破坏是机械零件失效的主要原因之一。

据统计，在机械零件失效中大约有80%以上属于疲劳破坏，而且疲劳破坏前没有明显的变形，所以疲劳破坏经常造成重大事故，所以对于轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等承受交变载荷的零件要选择疲劳强度较好的材料来制造。

第一章1.解释下列名词①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。

②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。

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塑性：金属材料断裂前发生不可逆永久（塑性）变形的能力。

⑥韧性：指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。

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⑦加工硬化：金属材料在再结晶温度以下塑性变形时,由于晶粒发生滑移, 出现位错的缠结,使晶粒拉长、破碎和纤维化,使金属的强度和硬度升高,塑性和韧性降低的现象。

⑧解理断裂：解理断裂是在正应力作用产生的一种穿晶断裂，即断裂面沿一定的晶面（即解理面）分离。

2.解释下列力学性能指标的意义弹性模量）；（2）ζ p（规定非比例伸长应力）、ζ e（弹性极限）、ζ s（屈服强度）、ζ 0.2（屈服强度）；（3）ζ b （抗拉强度）；（4）n（加工硬化指数）; （5）δ （断后伸长率）、ψ （断面收缩率）4.常用的标准试样有5 倍和10倍，其延伸率分别用δ 5 和δ 10 表示，说明为什么δ 5>δ 10。

答：对于韧性金属材料，它的塑性变形量大于均匀塑性变形量，所以对于它的式样的比例，尺寸越短，它的断后伸长率越大。

5.某汽车弹簧，在未装满时已变形到最大位置，卸载后可完全恢复到原来状态；另一汽车弹簧，使用一段时间后，发现弹簧弓形越来越小，即产生了塑性变形，而且塑性变形量越来越大。

试分析这两种故障的本质及改变措施。

答：（1）未装满载时已变形到最大位置：弹簧弹性极限不够导致弹性比功小；（2）使用一段时间后，发现弹簧弓形越来越小，即产生了塑性变形，这是构件材料的弹性比功不足引起的故障，可以通过热处理或合金化提高材料的弹性极限（或屈服极限），或者更换屈服强度更高的材料。

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 σ规定残余伸长应力 2.0σ屈服强度 gt δ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。

材料力学性能第五章-金属的疲劳一、前言金属是工业中广泛使用的材料之一，而疲劳是金属失效的常见原因。

疲劳现象是指材料在循环加载下，由于应力的交变和变形的累积，导致材料最终发生断裂的失效现象。

由于疲劳是材料失效的高发期之一，因此疲劳强度及其寿命评估在工程实践中极其重要。

本文将对金属疲劳相关的概念、实验方法、疲劳表征和机理等方面进行详细介绍。

二、疲劳相关概念2.1 疲劳应力和疲劳极限疲劳应力是指材料在循环加载下，在一个给定的时间内重复加载的最大应力，其值通常低于材料的屈服强度。

疲劳极限是指材料在循环加载下，在一个给定的时间内可以承受的最大应力，其值也低于材料的屈服强度。

2.2 疲劳曲线疲劳曲线通常是由应力-amplitude循环次数(N)图给出，包括S-N曲线和e-N 曲线。

其中S-N曲线是指材料应力振幅和循环次数之间的关系曲线，其垂直轴是应力振幅，水平轴是循环次数(N)。

e-N曲线是指材料应变振幅和循环次数之间的关系曲线，其垂直轴是应变振幅，水平轴也是循环次数(N)。

三、疲劳实验方法3.1 疲劳试验机疲劳试验机一般分为拉伸疲劳试验机、弯曲疲劳试验机和转子疲劳试验机等。

其中拉伸疲劳试验机主要用于金属杆件、薄壁件等线性部件的疲劳试验。

弯曲疲劳试验机主要用于梁疲劳试验，其挠度和载荷均可调节。

转子疲劳试验机主要用于模拟飞机、发动机等转子叶片的疲劳试验。

3.2 疲劳试验方法常用的疲劳试验方法包括：恒振幅疲劳试验、逐渐增加振幅疲劳试验、多级疲劳试验和积累损伤疲劳试验等。

其中恒振幅疲劳试验是常见的疲劳试验方法，以波形、频率和振幅不变的周期周次循环载入，记录疲劳寿命。

逐渐增加振幅疲劳试验是从小到大逐渐增加载荷振幅的疲劳试验，称为低对高试验。

多级疲劳试验则是将恒定载荷振幅的疲劳试验进行多个不同振幅载荷循环，记录没个载荷级的疲劳寿命，绘制多级S-N曲线。

四、疲劳表征4.1 疲劳极限疲劳极限是材料在循环加载下允许承受的最大应力，疲劳极限的单位是MPa(N/mm^2)。

名词解释：1加工硬化：试样发生均匀塑性变形，欲继续变形则必须不断增加载荷，这种随着随性变形的增大形变抗力不断增大的现象叫加工硬化。

2弹性比功：表示金属材料吸收弹性变形功的能力。

3滞弹性：在弹性范围内快速加载或卸载后，随着时间延长产生附加弹性应变的现象。

4包申格效应：金属材料通过预先加载产生少量塑性变形（残余应变小于1%-4%），而后再同向加载，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塑性：金属材料断裂前发生塑性变形的能力。

常见塑性变形方式：滑移和孪生6弹性极限：以规定某一少量的残留变形为标准，对应此残留变形的应力。

7比例极限：应力与应变保持正比关系的应力最高限。

8屈服强度：以规定发生一定的残留变形为标准，如通常以0.2%的残留变形的应力作为屈服强度。

9韧性断裂是材料断裂前发生产生明显的宏观塑性变形的断裂，这种断裂有一个缓慢的断裂过程，在裂纹扩展过程中不断的消耗能量。

韧性断裂的断裂面一般平行于最大切应力并于主应力成45度角。

10脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前基本上不发生塑形变形，没有明显征兆，危害性很大。

断裂面一般与主应力垂直，端口平齐而光亮，常呈放射状或结晶状。

11剪切断裂是金属材料在切应力作用下，沿着滑移面分离而造成的断裂，又分滑断和微孔聚集性断裂。

12解理断裂：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，总是脆性断裂。

13缺口效应：由于缺口的存在，在静载荷作用下，缺口截面上的应力状态发生变化，产生所谓“缺口效应“①缺口引起应力集中，并改变了缺口应力状态，使得缺口试样或机件中所受的应力由原来的单向应力状态改变为两向或者三向应力状态。

②缺口使得材料的强度提高，塑性降低，增大材料产生脆断的倾向。

8缺口敏感度：有缺口强度的抗拉强度σbm与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度σb的比值. NSR=σbn / σs NSR越大缺口敏感度越小9冲击韧性：Ak除以冲击式样缺口底部截面积所得之商10冲击吸收功：式样变形和断裂所消耗的功，称为冲击吸收功以Ak表示，单位J11低温脆性：一些具有体心立方晶格或某些秘排立方晶格的金属，当温度降低到、某一温度时，会由韧性状态变为脆性状态，冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集变为穿晶解理，断口特征由纤维状变为结晶状，这种现象称为低温脆性12 脆性转变温度：当温度降低时，材料屈服强度急剧增加，而塑形和冲击吸收功急剧减小。

材料力学性能-课后答案-(时海芳-任鑫)第一章1.解释下列名词①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。

②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。

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塑性：金属材料断裂前发生不可逆永久（塑性）变形的能力。

⑥韧性：指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。

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⑦加工硬化：金属材料在再结晶温度以下塑性变形时,由于晶粒发生滑移, 出现位错的缠结,使晶粒拉长、破碎和纤维化,使金属的强度和硬度升高,塑性和韧性降低的现象。

⑧解理断裂：解理断裂是在正应力作用产生的一种穿晶断裂，即断裂面沿一定的晶面（即解理面）分离。

2.解释下列力学性能指标的意义弹性模量）；（2）ζ p（规定非比例伸长应力）、ζ e（弹性极限）、ζ s（屈服强度）、ζ 0.2（屈服强度）；（3）ζ b（抗拉强度）；（4）n（加工硬化指数）; （5）δ （断后伸长率）、ψ （断面收缩率）4.常用的标准试样有5 倍和10倍，其延伸率分别用δ 5 和δ 10 表示，说明为什么δ 5>δ 10。

答：对于韧性金属材料，它的塑性变形量大于均匀塑性变形量，所以对于它的式样的比例，尺寸越短，它的断后伸长率越大。

5.某汽车弹簧，在未装满时已变形到最大位置，卸载后可完全恢复到原来状态；另一汽车弹簧，使用一段时间后，发现弹簧弓形越来越小，即产生了塑性变形，而且塑性变形量越来越大。

试分析这两种故障的本质及改变措施。

答：（1）未装满载时已变形到最大位置：弹簧弹性极限不够导致弹性比功小；（2）使用一段时间后，发现弹簧弓形越来越小，即产生了塑性变形，这是构件材料的弹性比功不足引起的故障，可以通过热处理或合金化提高材料的弹性极限（或屈服极限），或者更换屈服强度更高的材料。

金属材料的疲劳性能金属材料是工程中应用最广泛的一类材料，因其优良的力学性能、良好的加工性和广泛的适用性而受到青睐。

然而，在实际应用中，金属材料往往需要承受周期性的载荷，这种条件下的失效主要表现为疲劳破坏。

因此，了解金属材料的疲劳性能，对提高产品的可靠性与安全性具有至关重要的意义。

疲劳的基本概念疲劳是指材料在反复或交变载荷作用下，经过一定的循环次数后，出现的逐渐积累损伤并导致破坏的现象。

疲劳破坏通常是由微小的裂纹开始，在多次循环加载下逐步扩展，最终导致材料的断裂。

疲劳破坏与静态强度无直接关系，且其发生往往是在较低于材料屈服强度和抗拉强度的荷载下进行，表明这是一种特殊的破坏模式。

疲劳寿命疲劳寿命一般用于描述材料在特定载荷和环境条件下能承受多少次循环而不发生破坏。

通常我们用以下两个指标来表征疲劳寿命：循环次数（Nf）：这是指在出现疲劳破坏之前材料所能承受的加载循环次数。

疲劳极限（σf）：对于大多数金属材料，存在一个应力水平（称为疲劳极限），低于这个水平时材料即使经过无限次循环也不会发生疲劳破坏。

值得注意的是，并非所有金属都具有明显的疲劳极限，如铝合金等常见金属，其 fatigue limit 不易确定。

疲劳性能影响因素影响金属材料疲劳性能的因素包括但不限于以下几个方面：材料成分金属材料中的化学成分对其疲劳性能有明显影响。

例如，合金元素如镍、钼、铬等可以显著提高钢材的抗疲劳性能。

适当增加合金元素的比例，使得金属晶体结构更加稳定，从而提高了其疲劳强度。

此外，非金属杂质（如硫、磷等）的存在，则会降低材料的疲劳性能。

材料组织材料的微观组织结构直接决定了其机械性能。

在热处理过程中，通过控制冷却速度和温度，可以改变金属材料的相组成与晶粒尺寸，从而优化组织，提高疲劳性能。

例如，细化晶粒可以显著提高金属件的抗疲劳能力。

调质处理后的钢材，相较于退火状态下，会表现出更高的抗疲劳能力。

应力集中在实际使用中，构件往往因为几何形状的不均匀性（如凹坑、切口、焊缝等）而产生应力集中现象。

金属材料的疲劳性能金属材料是工程领域中常用的材料之一，其疲劳性能对于工程结构的安全性和可靠性具有重要影响。

疲劳是指材料在交变载荷作用下，经过一定次数的循环加载和卸载后，产生裂纹并最终破坏的现象。

本文将介绍金属材料的疲劳机理、影响因素以及改善疲劳性能的方法。

一、疲劳机理金属材料的疲劳机理主要包括以下几个方面：1. 微观裂纹形成和扩展：在交变载荷作用下，金属材料内部会产生微观裂纹，这些裂纹会随着循环加载和卸载的重复作用逐渐扩展，最终导致材料破坏。

2. 塑性变形和应力集中：在循环加载和卸载的过程中，金属材料会发生塑性变形，这会导致应力集中，从而加速裂纹的形成和扩展。

3. 金属材料的内部缺陷：金属材料内部存在各种缺陷，如夹杂物、气孔等，这些缺陷会成为裂纹的起始点，加速裂纹的扩展。

二、影响因素金属材料的疲劳性能受到多种因素的影响，主要包括以下几个方面：1. 材料的力学性能：材料的强度、韧性、硬度等力学性能对疲劳性能有重要影响。

强度高的材料能够承受更大的载荷，韧性好的材料能够吸收更多的能量，硬度高的材料能够抵抗塑性变形。

2. 循环载荷的幅值和频率：循环载荷的幅值和频率对疲劳性能有直接影响。

幅值越大、频率越高，材料的疲劳寿命越短。

3. 温度和环境条件：温度和环境条件对金属材料的疲劳性能也有一定影响。

高温环境下，金属材料的疲劳寿命会降低。

4. 表面处理和应力状态：表面处理和应力状态对金属材料的疲劳性能有重要影响。

表面处理可以改善材料的表面质量，减少裂纹的形成和扩展；应力状态的合理控制可以减少应力集中，延缓裂纹的扩展。

三、改善疲劳性能的方法为了改善金属材料的疲劳性能，可以采取以下几种方法：1. 优化材料的组织结构：通过合理的热处理、合金设计等方法，优化金属材料的组织结构，提高其强度和韧性，从而提高疲劳寿命。

2. 表面处理：采用表面处理技术，如喷丸、镀层等，可以改善金属材料的表面质量，减少裂纹的形成和扩展。

3. 控制应力状态：通过合理的设计和加工工艺，控制金属材料的应力状态，减少应力集中，延缓裂纹的扩展。

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 : o max②最小循环应力：o min③平均应力：o m=（o max +o min）/2④应力幅oa或应力范围AoAo =max- o min oa=Ao /2（= o max-o min ）/2⑤应力比（或称循环应力特征系数）：r= o min/ o max5、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o m=（o max + o min ）/2=0 r=-1 属于此类的有：大多数旋转轴类零件。