第 章 材料的疲劳强度

1．写出下列力学性能符号所代表的力学性能指标的名称和含义。

σe、σs、σ r 0.2、σb、δ、ψ、a k 、σ-1、HRA、HRB、HRC、HBS(HBW)。

σe是弹性极限，是材料产生完全弹性变形时所承受的最大应力值；σs是屈服强度，是材料产生屈服现象时的最小应力值；σ r 0.2是以试样的塑性变形量为试样标距长度的0.2%时的应力作为屈服强度；σb是抗拉强度，是材料断裂前所能承受的最大应力值；δ是伸长率，试样拉断后标距长度的伸长量与原始标距长度的百分比；ψ是断面收缩率，是试样拉断后，缩颈处横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比；a k是冲击吸收功，摆锤冲击试验中摆锤冲断试样所消耗的能量称为冲击吸收功；σ-1是材料经受无数次应力循环而不被破坏的最大应力；HRA、HRB、HRC是洛氏硬度由于不同的压头和载荷组成的几种不同的洛氏硬度标尺而产生的三种表示方法；HBS(HBW)是布氏硬度，用淬火钢球做压头测得的硬度用符号HBS表示，用硬质合金做压头测得的硬度用符号HBW表示。

2．低碳钢试样在受到静拉力作用直至拉断时经过怎样的变形过程?由最初受力时的弹性变形到超过屈服极限的塑性变形到最后超过抗拉强度后的断裂。

3．某金属材料的拉伸试样l0=100mm，d0=10mm。

拉伸到产生0.2％塑性变形时作用力(载荷)F0.2=6.5×103N；F b=8．5×103N。

拉断后标距长为l l=120mm，断口处最小直径为d l=6.4mm，试求该材料的σ0.2、σb、δ、ψ。

σ0.2= F0.2/ s0=(6.5×103)/π×（10/2）2=82.8MPaσb= F b/ s0=(8.5×103)/π×（10/2）2=108.28MPaδ=(l l- l0)/ l0×100%=20%ψ=( s0- s1)/ s0=[π×（10/2）2-π×（6.4/2）2]/π×（10/2）2=59.04%4．钢的弹性模量为20.7×104MPa，铝的弹性模量为6.9×104MPa。

第一章金属材料的力学性能机械制造中使用的材料品种很多，为了正确使用材料，并把它加工成合格的工件，必须掌握材料的使用性能和工艺性能。

使用性能，是指为保证工件正常工作材料应具备的性能，包括力学性能、物理和化学性能等。

工艺性能，是指材料在加工过程中所表现出来的性能，包括铸造性能、锻压性能、焊接性能和切削加工性等。

所谓力学性能，是指材料在外力作用下所表现出来的性能，主要有强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度等，是设计机械零件时选材的重要依据。

这些性能指标是通过试验测定的。

第一节刚度、强度、塑性刚度、强度和塑性是根据试验测定出来的。

将材料制成标准试样(图1-1a)，然后把试样装在试验机上施加静拉力，随着拉力的增加试样逐渐变形，直到拉断为止(图1-1b)。

将试样从开始到拉断所受的力F 及所对应的伸长量ΔL绘制在F—ΔL坐标上，得出力一伸长曲线。

低碳钢的力一伸长曲线如图1—2所示。

从图1—2可知，在OE 阶段，试样的伸长量随拉力成比例增加，若去除拉力后试样恢复原状，这种变形称为弹性变形。

超过E 点后，若去除拉力试样不能完全恢复原状，尚有一部分伸长量保留下来，这部分保留下来的变形称为塑性变形。

当拉力增加到F s 时，力一伸长曲线在S 点呈现水平台阶，即表示外力不再增加而试样继续伸长，这种现象称为屈服，该水平台阶称为屈服台阶。

屈服以后，试样又随拉力增加而逐渐均匀伸长。

达到B 点，试样的某一局部开始变细，出现缩颈现象。

由于在缩颈部分试样横截面积迅速减小，因此使试样继续伸长所需的拉力也就相应减小。

当达到K 点时，试样在缩颈处断裂。

低碳钢在拉伸过程中经历了弹性变形、弹一塑性变形和断裂三个阶段。

F —ΔL 曲线与试样尺寸有关。

为了消除试样尺寸的影响，把拉力F 除以试样原始横截面积A0，得出试样横截面积上的应力，同时把伸长量ΔL 除以试样原始标距L 0，得到试样的应变LL ε∆=0F A σ=σ—ε曲线与F —ΔL 曲线形状一样，只是坐标不同。

第一章材料的力学性能一、名词解释1、力学性能：材料抵抗各种外加载荷的能力，称为材料的力学性能。

2、弹性极限：试样产生弹性变形所承受的最大外力，与试样原始横截面积的比值，称为弹性极限，用符号σe表示。

3、弹性变形：材料受到外加载荷作用产生变形，当载荷去除，变形消失，试样恢复原状，这种变形称为弹性变形。

4、刚度：材料在弹性变形范围内，应力与应变的比值，称为刚度，用符号E表示。

5、塑性：材料在外加载荷作用下，产生永久变形而不破坏的性能，称为塑性。

6、塑性变形：材料受到外力作用产生变形，当外力去除，一部分变形消失，一部分变形没有消失，这部分没有消失的变形称为塑性变形。

7、强度：材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力，称为强度。

8、抗拉强度：材料在断裂前所承受的最大外加拉力与试样原始横截面积的比值，称为抗拉强度，用符号σb表示。

9、屈服：材料受到外加载荷作用产生变形，当外力不增加而试样继续发生变形的现象，称为屈服。

10、屈服强度：表示材料在外力作用下开始产生塑性变形的最低应力，即材料抵抗微量塑性变形的能力，用符号σs表示。

11、σ0.2：表示条件屈服强度，规定试样残留变形量为0.2％时所承受的应力值。

用于测定没有明显屈服现象的材料的屈服强度。

12、硬度：金属表面抵抗其它更硬物体压入的能力，即材料抵抗局部塑性变形的能力，称为硬度。

13、冲击韧度：材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力，称为冲击韧度，用符号αk表示。

14、疲劳：在交变载荷作用下，材料所受的应力值虽然远远低于其屈服强度，但在较长时间的作用下，材料会产生裂纹或突然的断裂，这种现象称为疲劳。

15、疲劳强度：材料经无数次应力循环而不发生断裂，这一应力值称为疲劳强度或疲劳极限，用符号σ-1表示。

16、蠕变：材料在高温长时间应力作用下，即使所加应力值小于该温度下的屈服极限，也会逐渐产生明显的塑性变形直至断裂，这种现象称为蠕变。

17、磨损：由两种材料因摩擦而引起的表面材料的损伤现象称为磨损。

疲劳强度疲劳的定义：材料在循环应力或循环应变作用下，由于某点或某些点产生了局部的永久结构变化，从而在一定的循环次数以后形成裂纹或发生断裂的过程称为疲劳。

疲劳的分类：(1)按研究对象:材料疲劳和结构疲劳(2)按失效周次:高周疲劳和低周疲劳(3)按应力状态:单轴疲劳和多轴疲劳(4)按载荷变化情况:恒幅疲劳、变幅疲劳、随机疲劳(5)按载荷工况和工作环境:常规疲劳、高低温疲劳、热疲劳、热—机械疲劳、腐蚀疲劳、接触疲劳、微动磨损疲劳和冲击疲劳。

第一章疲劳破坏的特征和断口分析§1-1 疲劳破坏的特征疲劳破坏的特征和静力破坏有着本质的不同，主要有五大特征：（1）在交变裁荷作用下，构件中的交变应力在远小于材料的强度极限（b）的情况下，破坏就可能发生。

（2）不管是脆性材料或塑性材料，疲劳断裂在宏观上均表现为无明显塑性变形的突然断裂，故疲劳断裂常表现为低应力类脆性断裂。

（3）疲劳破坏常具有局部性质，而并不牵涉到整个结构的所有材料，局部改变细节设计或工艺措施，即可较明显地增加疲劳寿命。

（4）疲劳破坏是一个累积损伤的过程，需经历一定的时间历程，甚至是很长的时间历程。

实践已经证明，疲劳断裂由三个过程组成，即(I)裂纹(成核)形成，(II)裂纹扩展，(III)裂纹扩展到临界尺寸时的快速(不稳定)断裂。

（5）疲劳破坏断口在宏观和微观上均有其特征，特别是其宏观特征在外场目视捡查即能进行观察，可以帮助我们分析判断是否属于疲劳破坏等。

图1-1及图l-2所示为磨床砂轮轴及一个航空发动机压气机叶片的典型断口。

图中表明了疲劳裂纹起源点(常称疲劳源)，疲劳裂纹扩展区(常称光滑区)及快速断裂区(也称瞬时破断区，常呈粗粒状)。

§1-2 疲劳破坏的断口分析宏观分析：用肉眼或低倍(如二十五倍以下的)放大镜分析断口。

微观分析：用光学显微镜或电子显微镜(包括透射型及扫描型)研究断口。

图1-1 磨床砂轮轴的典型断口图1-2 航空发动机压气机叶片的典型断口1、断口宏观分析：(I) 疲劳源：是疲劳破坏的起点，常发生在表面，特别是应力集中严重的地方。