材料的热机械疲劳性能Ⅰ应力应变行为
粉末高温合金FGH95和FGH96的热机械疲劳性能
第 ６期
粉末 高 温合金 Ｆ Ｈ ５和 Ｆ Ｈ ６的热机械 疲 劳性 能 Ｇ ９ Ｇ ９
ｌ ０ ６０ １０ ２０
９ ７
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６ ｍｍ 的热
采用 机 械 应 变 控 制 方 式 分 别 进 行 了 应 变 比 Ｒ ＝
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试验 过 程 中采 集 的 波形 分 别 如 图 １和 图 ２所
示 。 从 图 １ 图 ２可 以 看 出 ， 验 过 程 中 的 温 度 循 和 试 环控 制 的非 常理想 。
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高强 度低 塑性 的特 点 。当应 变 水 平 较 高 时 （ｓ ≥ …
限温度 的等 温低 循 环疲 劳 寿命 短 ， Ｇ ９ Ｆ Ｈ ５合 金就
存 在此 类现 象 。基 于 以上 原 因 ， 于 航 空 发 动机 对 涡轮 叶片 和涡轮 盘等关 键 部件 只进 行等 温低周 疲劳 试 验来 进行 的抗 疲 劳设计 ， 存在 不安 全 因素 ， 不能够 满 足安 全设 计 的要 求 。因此 ， 有必 要 对 既 承 受机 械 载荷 又承受 热载 荷 的材料 进行 模拟 实 际工况 的热机 械 疲 劳试验 。 目前 ， 内外 航 空发 动 机 的 涡轮 盘材 料 多 为 粉 国 末 高温 合 金 ， 同时 对粉 末 高 温 合金 的力 学 性 能 开 展 了广 泛 深入 的研 究 ， 为粉 末 涡 轮 盘 在 航 空 发
疲劳分析方法
疲劳寿命分析方法摘要：本文简单介绍了在结构件疲劳寿命分析方法方面国内外的发展状况, 重点讲解了结构件寿命疲劳分析方法中的名义应力法、局部应力应变法、应力应变场强度法四大方法的估算原理。
疲劳是一个既古老又年轻的研究分支，自Wohler 将疲劳纳入科学研究的范畴至今，疲劳研究仍有方兴未艾之势，材料疲劳的真正机理与对其的科学描述尚未得到很好的解决。
疲劳寿命分析方法是疲分研究的主要内容之一，从疲劳研究史可以看到疲劳寿命分析方法的研究伴随着整个历史。
金属疲劳的最初研究是一位德国矿业工程帅风W.A.J.A1bert 在1829 年前后完成的。
他对用铁制作的矿山升降机链条进行了反复加载试验，以校验其可靠性。
1843 年，英国铁路工程师W.J.M.Rankine 对疲劳断裂的不同特征有了认识，并注意到机器部件存在应力集中的危险性。
1852 年-1869 年期间，Wohler 对疲劳破坏进行了系统的研究。
他发现由钢制作的车轴在循环载荷作用下，其强度人大低于它们的静载强度，提出利用S-N曲线来描述疲劳行为的方法，并是提出了疲劳“耐久极限”这个概念。
1874年，德国工程师H.Gerber 开始研究疲劳设计方法，提出了考虑平均应力影响的疲劳寿命计算方法。
Goodman讨论了类似的问题。
1910年，O.H.Basquin提出了描述金属S-N曲线的经验规律，指出：应力对疲劳循环数的双对数图在很大的应力范围内表现为线性关系。
Bairstow 通过多级循环试验和测量滞后回线，给出了有关形变滞后的研究结果，并指出形变滞后与疲劳破坏的关系。
1929年B.P.Haigh研究缺口敏感性。
1937年H.Neuber 指出缺口根部区域内的平均应力比峰值应力更能代表受载的严重程度。
1945 年M.A.Miner 在J.V.Palmgren 工作的基础上提出疲劳线性累积损伤理论。
L.F.Coffin 和S.S.Manson 各自独立提出了塑性应变幅和疲劳寿命之间的经验关系，即Coffin —Man son公式，随后形成了局部应力应变法。
机械设计中的材料强度与疲劳分析
机械设计中的材料强度与疲劳分析机械设计是一门综合应用技术，旨在设计各种机械设备以满足特定的工程需求。
在机械设计中，材料的强度和疲劳分析是不可或缺的重要步骤。
本文将探讨机械设计中的材料强度与疲劳分析的基本概念及其在实际应用中的重要性。
一、材料强度分析材料强度是指材料在承受外部荷载或应力时的抵抗能力。
材料的强度分析对于机械结构设计至关重要，它决定了材料是否足够强大以抵御外界力量的影响，并保证结构的安全性和可靠性。
1.1 材料的应力-应变关系材料在受到外力作用时，产生内部的应力和应变。
应力是单位面积上的力，应变是单位长度上的形变。
材料的强度可以通过应力-应变关系来描述，其中包括弹性阶段、屈服点、塑性阶段和断裂点。
在机械设计中，通常使用材料的弹性模量、屈服强度、抗拉强度等参数来描述材料的强度。
1.2 材料强度分析方法在机械设计中，材料的强度分析可以通过理论计算、实验测试和数值模拟等方法进行。
理论计算方法是根据材料的弹性模型和力学原理推导出的公式来预测材料的强度。
实验测试方法是通过对材料进行拉伸、压缩、弯曲等试验来获取材料的强度参数。
数值模拟方法是利用计算机软件对材料的行为进行模拟和分析，可以提供更详细的应力、应变分布以及材料的破坏情况。
二、疲劳分析疲劳是指在周期性或交变性荷载作用下，材料发生的逐渐累积的微小损伤和失效现象。
疲劳问题在机械设计中经常出现，尤其对于那些在长时间内承受不断循环荷载的机械零件来说，如汽车发动机的曲轴、飞机的机翼等。
2.1 疲劳失效机理疲劳失效是由于材料在应力循环作用下产生微小的裂纹，随着荷载作用次数的增加，裂纹逐渐扩展，并最终导致材料的断裂。
疲劳失效的机理可以通过S-N曲线来描述，其中S表示应力幅，N表示应力循环次数。
S-N曲线是通过实验测试得到的，它描述了不同应力幅下材料的寿命。
2.2 疲劳寿命预测疲劳寿命预测是机械设计中的重要课题。
它利用S-N曲线和应力历程来预测材料在给定载荷条件下的疲劳寿命。
材料的疲劳性能
应力范围△σ越大 ，则裂纹扩展越快 ， Np、ac越小。
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材料旳疲劳裂纹扩展速率与Δσ和a 有关。 将应力范围△σ与a复合定义为应力 强度因子范围△K ：
K Kmax Kmin Ymax a Ymax a Y a
△K：控制裂纹扩展旳复合力学参量
（1）将a-N曲线上各点旳da／dN 值用图 解微分法或递增多项式计算法计算出来; （2）利用应力强度因子幅(ΔKⅠ)公式将 相应各点旳ΔKⅠ值求出， （3）在双对数坐标系上描点连接即得
在变动载荷作用下，随机件尺寸增大使疲劳强度下降旳现象，称为 尺寸效应，可用尺寸效应系数ε来表达
48
三、表面强化及残余应力旳影响
机理：提升机件表面塑变抗力，降低表面旳有效拉应力，即可 克制材料表面疲劳裂纹旳萌生和扩展，有效提升承受弯曲与扭 转循环载荷下材料旳疲劳强度
lgda/dN-lgΔKⅠ曲线。
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lg(da/dN)-lgΔKⅠ曲线：
I区是疲劳裂纹旳初始扩展阶段:
da/dN = 10-8～10-6 mm/周次；
从ΔKth开始，ΔKⅠ↑， da/dN迅 速提升，但ΔKⅠ范围较小，裂纹扩 展有限。
Ⅱ区是疲劳裂纹扩展旳主要阶段，占据亚稳扩展旳绝大部分，是决 定疲劳裂纹扩展寿命旳主要构成部分，da/dN = 10-5～10-2 mm/周次，
第五章 材料旳疲劳性能
§5-1疲劳破坏旳一般规律 §5-2疲劳破坏旳机理 §5-3疲劳抗力指标 §5-4影响材料及机件疲劳强度旳原因 §5-5热疲劳
1
机械零件总是处于不断运动状态
曲轴
连杆
2
第一节 疲劳破坏旳一般规律
一、疲劳破坏旳变动应力
疲劳：工件在变动载荷和应变长久作用下，因累积 损伤而引起旳断裂现象。
机械零件的热疲劳与高温结构分析
机械零件的热疲劳与高温结构分析一、引言在工业生产中，机械零件的热疲劳问题是一项关键的挑战。
在高温环境下使用的机械零件，由于长时间承受高温作用，容易发生热膨胀、热应力和热疲劳等问题，进而导致零件的失效。
因此，进行高温结构分析，理解机械零件的热疲劳行为，对于提高零件的使用寿命和可靠性具有重要意义。
二、热膨胀与热应力1. 热膨胀热膨胀是指物体在温度升高时体积扩大的现象。
机械零件在高温环境中，由于受到热能的加热作用，晶体结构发生变化，分子之间的距离增加，导致材料的线膨胀系数增大。
因此，当机械零件在高温环境中暴露时，需考虑其热膨胀行为。
2. 热应力热应力是由于温度变化引起的应力。
当机械零件受到瞬时的温度变化时，由于不同部位温度变化的不均匀性，零件内部产生不同的热膨胀。
这种不均匀的热膨胀会导致热应力的产生。
在高温环境中，机械零件的热应力可能超过材料的强度极限，从而引起热疲劳。
因此，进行热应力分析，找出零件的薄弱点，对解决热疲劳问题具有重要意义。
三、高温结构分析方法1. 有限元分析有限元分析是一种常用的高温结构分析方法。
通过将机械零件离散成有限数量的元素，构建有限元模型，借助计算机程序进行数值计算，得到零件在不同工况下的应力、应变和变形等参数。
有限元分析可以帮助工程师理解机械零件在高温环境中的受力情况，及时发现并解决潜在的问题。
2. 材料试验与模型参数在进行高温结构分析时，材料的性能参数对分析结果具有重要影响。
因此，了解材料的热膨胀系数、线膨胀系数、抗热疲劳性能等参数是关键。
可通过进行材料试验，测定这些参数，作为有限元分析的输入。
四、热疲劳分析1. 热疲劳机理机械零件在高温下发生热膨胀和热应力，会导致材料内部产生应力集中和裂纹生成。
此时，零件在单调或循环载荷下，由于热疲劳引起应力集中和周期性断裂，进而导致零件的失效。
为了解决热疲劳问题，需要对机械零件的应力集中位置、应力集中程度以及裂纹扩展速率等参数进行分析。
材料的机械性能
材料的机械性能材料的机械性能是指材料在外力作用下的表现和响应能力。
它是评价材料在机械应用中的性能的重要指标，影响着材料在各种工程领域的应用。
强度和韧性在材料的机械性能中，强度和韧性是两个重要的指标。
强度指的是材料抵抗外力破坏的能力，常用的强度指标有屈服强度、抗拉强度、抗压强度等。
韧性那么是指材料在外力作用下产生塑性变形的能力。
常用的韧性指标有断裂韧性、冲击韧性等。
屈服强度和抗拉强度屈服强度是指材料在受到拉伸或压缩时，开始发生塑性变形的应力值。
它是材料能够承受的最大应力，并且保持永久性变形的临界点。
而抗拉强度那么是材料在拉伸过程中能够承受的最大应力值。
抗压强度抗压强度是指材料在受到压缩力作用时的承载能力。
它是评价材料在承受压力时的稳定性和强度的重要指标。
断裂韧性断裂韧性是指材料在外力作用下，在断裂之前所能吸收的能量。
这个能量是用来克服材料内部的缺陷和割裂等破坏过程所需的。
韧性高的材料在受到外力时能够更好地抵抗破坏，具有较好的耐用性。
冲击韧性冲击韧性是指材料在受到冲击载荷时抵抗断裂的能力。
冲击韧性是材料承受冲击力后，经过弯曲、撞击等复杂变形后，能够阻止断裂的能力。
对于脆性材料，冲击韧性较低，而对于韧性材料，冲击韧性较高。
材料的硬度是指材料抵抗外部压强和划痕的能力，可以反映材料的抗压性能和耐磨性能。
硬度测试方法有多种，如洛氏硬度、布氏硬度、维氏硬度等。
硬度测试可以有效评估材料的机械性能。
刚度和弹性模量刚度是指材料在外力作用下的变形和形状改变的抵抗能力。
弹性模量那么是指材料在受力时产生的应变和应力之间的比值。
刚度和弹性模量可以反映材料的弹性变形能力和恢复能力。
疲劳性能疲劳性能是指材料在循环载荷下的耐久性能。
材料在长期受到交变应力和应变的作用下，会逐渐发生疲劳破坏。
疲劳性能的好坏影响着材料在长期使用中的可靠性。
材料的机械性能是评估和选择材料的重要指标，关系到材料在各种工程领域的应用。
强度、韧性、硬度、刚度、疲劳性能等是评价材料机械性能的主要指标。
机械材料的疲劳特性研究与应用
机械材料的疲劳特性研究与应用引言机械材料的疲劳特性是指材料在交替应力或应变作用下容易发生疲劳破坏的性质。
研究和应用疲劳特性对于提高材料的使用寿命和可靠性至关重要。
本文将探讨机械材料的疲劳机制、测试方法以及在工程实践中的应用。
一、疲劳机制机械材料的疲劳破坏是由于在交替应力或应变的作用下，材料内部形成并扩展裂纹最终导致破坏。
疲劳过程分为初期裂纹萌生、裂纹扩展和最终破坏三个阶段。
初期裂纹萌生是由于应力集中导致材料表面或内部出现微小裂纹。
裂纹扩展是指裂纹在应力作用下不断扩展，最终形成可见裂纹。
最终破坏是指裂纹扩展到一定长度后引起材料失效。
疲劳过程中材料内部的微观组织和应力状态的变化对其疲劳寿命有重要影响。
二、疲劳试验为了研究材料的疲劳特性，人们进行了许多疲劳试验。
其中最常用的试验方法是拉伸-压缩疲劳试验和弯曲疲劳试验。
拉伸-压缩疲劳试验是将试样置于拉伸或压缩载荷下，通过加载循环次数和应力水平的变化来评估材料的疲劳寿命。
弯曲疲劳试验是将试样弯曲加载，使其在交替应力作用下发生疲劳破坏。
除了试验方法外，人们还开发了各种测试设备和技术来模拟实际工作条件中的疲劳载荷。
三、疲劳寿命预测准确预测材料的疲劳寿命对于提高机械设备的可靠性至关重要。
有两种常用的方法可以用来预测疲劳寿命：应力寿命法和损伤力学法。
应力寿命法基于经验公式和试验数据来估计材料在不同应力水平下的寿命。
损伤力学法则更加深入，通过建立裂纹扩展速率模型来预测材料的寿命。
这些方法在工程实践中被广泛应用，有助于指导材料选型和设计优化。
四、疲劳特性在工程实践中的应用疲劳特性研究的成果被广泛应用于机械工程和材料工程领域。
机械零件和结构在使用过程中往往受到复杂的载荷作用，对材料的疲劳特性要求较高。
比如航空航天、汽车和船舶等领域的零部件在高频循环载荷下容易发生疲劳破坏，因此需要选择高强度、抗疲劳性能好的材料。
此外，疲劳特性的研究也为延长设备的使用寿命提供了理论依据和技术支持。
1材料的性能
材料在无数次数应力循环后仍不发生断裂时的 最大应力称为疲劳极限。用D表示。 一般结构钢规定次数为107，其他钢及有色金 属合金为108。
六、断裂韧性
桥梁、船舶、大型轧辊、转子等有时会发生低 应力脆断。 工作应力远低于材料的抗拉强度。 原因：构件或零件存在裂纹。裂纹在应力作用 下失稳扩展，导致机件破断。
二、锻造性能
锻造性 适应能力。 金属材料用锻压加工方法成形的
锻造
冷冲
金属材料的塑性越好，变形抗力越小， 金属的锻造性能越好。
三、可焊性 可焊性 材料易于被焊接到一起并获得优质 焊缝的能力。
电弧焊
气焊
钢材的碳含量是焊接性好坏的主要因素。 低碳钢和碳的质量分数低于0.18 %的合金钢 焊接性能较好。 碳含量和合金元素含量越高, 焊接性能越差。
• 58HRC 符号HR前面的数字为硬度值， 后面为使用的标尺。
洛氏硬度的优点：操作简便，压痕小，适用范围
广，可用于成品件的检验。
缺点：测量结果分散度大，重复性差
3、维氏硬度
将两相对面夹角136o的正四棱锥体的金刚石压 头，用选定的试验力压入试样表面，保持规定时间 后，卸除试验力，测量压痕对角线平均长度d。试 验力除以压痕表面积所得商即为维氏硬度。
韧脆转变温度 • 材料的冲击韧性随温度 下降而下降。 • 在某一温度范围内冲击 韧性值急剧下降的现象 称韧脆转变。
发生韧脆转变的温度范围称韧脆转变温度。 材料的使用温度应
? 韧脆转变温度。 高于
建造中的Titanic 号
TITANIC
TITANIC的沉没
与船体材料的质量
直接有关
Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右图） 的冲击试验结果
脆性材料的热机械疲劳损伤模型建立
脆性材料的热机械疲劳损伤模型建立脆性材料的热机械疲劳损伤模型建立步骤思考：1. 引言脆性材料是一类在高温下易发生热机械疲劳损伤的材料。
热机械疲劳是指在高温和应力交替加载下，材料内部会发生断裂和破裂现象，导致材料性能下降甚至失效。
因此，建立脆性材料的热机械疲劳损伤模型对于预测材料的寿命和改进材料的性能具有重要意义。
2. 理论基础热机械疲劳损伤模型的建立需要考虑材料的热力学性质、热弹性性质和破裂力学性质等因素。
首先，通过热力学理论分析材料在高温下的稳定相变和相互作用行为，确定材料的热稳定性。
其次，考虑材料的热弹性性质，分析材料在应力加载下的变形和应变分布情况。
最后，结合材料的断裂力学性质，研究材料在高温和应力交替加载下的断裂行为。
3. 实验方法为了验证热机械疲劳损伤模型的准确性和可靠性，需要进行一系列的实验。
首先，选取符合研究对象特性的脆性材料，如陶瓷或金属合金。
然后，设置不同的高温和应力加载条件，进行疲劳试验，记录材料在不同加载次数下的断裂情况和性能损失。
最后，根据实验数据和模型计算结果进行对比分析，评估热机械疲劳损伤模型的适用性。
4. 模型建立基于理论分析和实验结果，可以建立脆性材料的热机械疲劳损伤模型。
该模型可以包括以下几个方面的考虑：热力学稳定性、热弹性性质、破裂力学性质以及温度和应力的交互作用。
通过数学表达式描述材料的应力和应变分布、温度变化以及断裂过程。
同时，可以引入损伤参数来描述材料的疲劳损伤程度，从而预测材料的寿命。
5. 应用和展望热机械疲劳损伤模型的建立为脆性材料的热机械疲劳性能研究提供了一种定量分析方法。
该模型可以应用于材料设计、工程实践和寿命评估等方面。
进一步的研究可以考虑更多因素的影响，如材料微观结构、加载频率和湿热环境等，提高模型的准确性和适用性。
总结：通过理论分析和实验验证，我们成功建立了脆性材料的热机械疲劳损伤模型。
该模型综合考虑了热力学稳定性、热弹性性质和断裂力学性质等因素，可以用于预测材料的寿命和改进材料的性能。
机械零件冷热疲劳特性研究
机械零件冷热疲劳特性研究随着工业技术的不断发展，机械零件在各个行业中发挥着重要作用。
然而，由于长期的使用以及环境的影响，机械零件往往会受到冷热疲劳的影响。
这对于机械零件的可靠性和使用寿命产生了重要的影响。
因此，对机械零件的冷热疲劳特性进行研究显得尤为重要。
一、冷热疲劳现象冷热疲劳是指材料在交变温度和应力作用下引起的疲劳破坏。
冷热疲劳现象主要包括两个方面：热机械疲劳和热粘附疲劳。
热机械疲劳是指在高温环境下，受热膨胀引起的疲劳。
热粘附疲劳是指在高温环境下，材料因热胀冷缩引起的振动和摩擦，导致疲劳破坏。
二、冷热疲劳机理冷热疲劳的机理复杂多样，涉及材料的物理、化学和力学性质。
首先，冷热疲劳会导致材料内部的晶界和位错活动，造成晶体内部的应力和应变的不均匀分布，从而引起微裂纹的产生和扩展。
其次，高温环境下，材料的强度和硬度都会下降，导致了更容易发生疲劳损伤。
此外，颗粒的膨胀和收缩还会导致材料的形状和尺寸的变化，增加了应力集中和微裂纹的形成。
三、研究方法对机械零件的冷热疲劳特性进行研究需要综合运用多种实验和分析方法。
首先，可以通过热胀冷缩试验来模拟机械零件在高温环境下的条件，并测量其变形和损伤。
此外，还可以使用热循环试验来模拟机械零件在冷热交替工况下的疲劳破坏过程。
其次，可以借助金相显微镜、扫描电子显微镜和X射线衍射等分析工具观察和分析材料的微观结构和组织，并研究其与疲劳寿命之间的关系。
此外，还可以使用有限元分析方法对机械零件的应力和应变分布进行模拟和计算，进一步研究冷热疲劳的机理和特性。
四、影响因素机械零件的冷热疲劳特性受到多种因素的影响。
首先，材料的性能和组织结构会直接影响冷热疲劳的发生和发展。
例如，高强度和高韧性的材料对冷热疲劳具有较强的抗性能；细小和均匀的晶粒可以提高材料的疲劳寿命。
其次，工作环境的温度和应力水平也会对冷热疲劳造成影响。
高温和高应力环境下，机械零件更容易发生疲劳损伤。
此外，冷热交替的次数和幅值也会对冷热疲劳的寿命产生重要影响。
二、金属材料的热应力、热疲劳和高温蠕变概念
二、金属材料的热应力、热疲劳和高温蠕变概念下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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机械材料的热稳定性与热疲劳性研究
机械材料的热稳定性与热疲劳性研究引言：机械材料在高温工况下的性能与稳定性一直是研究领域的热点之一。
热稳定性和热疲劳性作为材料在高温应用中的重要性能指标，对于保证材料的可靠性和耐久性起着关键作用。
本文将从热稳定性和热疲劳性两个方面，对机械材料在高温环境下的表现和影响因素进行探讨。
热稳定性研究：热稳定性指材料在高温下能够保持其物理、化学性质以及结构形态的稳定性。
研究表明，材料的晶体结构对其热稳定性有着重要影响。
晶体结构的稳定性取决于结晶度、晶粒尺寸等因素。
具有高结晶度和细小晶粒尺寸的材料更容易在高温环境下保持良好的稳定性。
另外，材料中的晶格缺陷与热稳定性之间也存在一定的关系。
晶格缺陷包括位错、空位、间隙等，这些缺陷会影响材料的热膨胀系数和热导率，从而影响材料在高温下的稳定性。
热稳定性好的材料通常具有较低的热膨胀系数和较高的热导率，能够有效抵抗高温环境的影响。
除了晶体结构和晶格缺陷的影响外，化学成分也是影响材料热稳定性的重要因素。
材料的化学成分决定了其在高温环境中的化学反应活性，以及与周围介质的相互作用。
在高温条件下，材料可能会受到氧化、硬化、腐蚀等化学反应的影响，因此，选择合适的化学成分可以提高材料的热稳定性。
热疲劳性研究：热疲劳性是指材料在高温下经历热循环加载后发生的疲劳破坏。
在高温环境中，材料的热膨胀系数和热导率会发生变化，导致材料在热循环加载下产生疲劳损伤。
研究热疲劳性的主要目的是找出材料在高温下疲劳破坏的机制，并改进材料的耐热性能。
研究发现，材料的显微组织和结构对其热疲劳性起着重要作用。
显微组织包括晶粒尺寸、晶界特征、间隙相等，这些因素会影响材料的力学性能和热扩散行为，从而影响材料的热疲劳性。
此外，热疲劳性还与材料的微观裂纹密度和裂纹扩展速率密切相关。
高温下，材料容易出现微观裂纹，并在热循环加载过程中扩展形成裂纹。
因此，减少材料中的裂纹密度和控制裂纹扩展速率是提高热疲劳性的关键。
方法与措施：针对机械材料在高温环境下的热稳定性和热疲劳性，研究者们采取了多种方法与措施进行改进与提高。
一文详解材料与结构疲劳！
一文详解材料与结构疲劳！一、认识疲劳疲劳是材料（金属）承受循环应力或应变作用时，结构性能下降，并最终导致破坏的现象。
疲劳失效是最常见的失效形式之一。
文献中提供的数据显示，各种机械中，疲劳失效的零件占失效零件的60~70%。
疲劳断裂失效原则上属于低应力脆断失效，疲劳中难以观察到明显的塑性变形，因为这是以局部塑性变形为主，且主要发生在结构的固有缺陷上。
虽然频率对疲劳失效有一定影响，但多数情况下疲劳失效主要与循环次数有关。
01按引起疲劳失效的应力特点可以分为：由机械应力引起的机械疲劳和热应力（交变热应力）引起的热疲劳；02从循环周次可分为：高周、低周、超高周疲劳；03根据载荷性质可分为：拉-压疲劳、扭转疲劳以及弯曲疲劳等；04根据工件的工作环境可分为：腐蚀疲劳、低温疲劳、高温疲劳。
一般把材料与结构发生疲劳损伤前的强度定义为“疲劳极限”。
01冲击疲劳是指重复冲击载荷所引起的疲劳。
当冲击次数N小于500~1000次即破坏时，零件的断裂形式与一次冲击相同；当冲击次数大于105次时的破坏，零件断裂属于疲劳断裂，并具有典型的疲劳断口特征。
在设计计算中，当冲击次数大于100次时，用类似于疲劳的方法计算强度。
02接触疲劳零件在循环接触应力作用下产生局部永久性累计损伤，经过一定循环次数后，接触表面发生麻点、浅层或深层剥落的过程，称为接触疲劳。
接触疲劳是齿轮、滚动轴承和凸轮轴的典型失效形式。
03热疲劳由于温度循环产生循环热应力所导致的材料或零件的疲劳称为热疲劳。
温度循环变化导致材料体积循环变化，当材料的自由膨胀或收缩受到约束时，产生循环热应力或循环热应变。
产生热应力情况主要有两种：1零件的热胀冷缩受到固持零件的外加约束而产生热应力；2虽然没有外加约束，但两件各部分的温度不一致，存在着温度梯度，导致各部分热胀冷缩不一致而产生热应力。
温度交变作用，除了产生热应力外，还会导致材料内部组织变化，使强度和塑性降低。
热疲劳条件下的温度分布不是均匀的，在温度梯度大的地方，塑性变形严重，热应变集中较大；当热应变超过弹性极限时，热应力与热应变就不呈线性关系，此时求解热应力就要按弹塑性关系处理。
机械材料的力学行为与性能分析
机械材料的力学行为与性能分析机械材料的力学行为和性能分析是材料科学领域中的一个重要研究方向。
力学行为指的是材料在外力作用下的变形和破坏行为，而性能分析则关注材料在不同工况下的力学性能如强度、韧性、硬度等。
本文将从力学行为与性能分析的角度，探讨机械材料的相关问题。
首先，强度是机械材料力学性能分析中的关键指标之一。
材料的强度可以分为屈服强度、抗拉强度、抗压强度等不同类型。
强度与材料的成分、晶体结构以及加工工艺等因素密切相关。
例如，冷加工可以提高金属材料的强度，但会降低其韧性。
而通过调整合金元素的含量和加热处理，可以改变合金的强度和硬度。
其次，材料的韧性在力学行为与性能分析中也具有重要地位。
韧性是材料在断裂前能吸收大量能量的能力。
材料的韧性与其晶界、减薄区域以及相互作用等因素有关。
一般而言，金属材料具有较高的韧性，而陶瓷材料则较为脆弱。
研究材料的韧性可以帮助我们评估其在实际工程中的可靠性和安全性。
此外，材料的硬度也是力学性能分析中一个重要指标。
硬度可以反映材料的耐磨性和抗刮伤性能。
硬度测试常用的方法有洛氏硬度试验、维氏硬度试验等。
硬度与材料的晶体结构和成分密切相关。
通过调整材料的组织结构和添加合适的硬化相，可以提高材料的硬度。
在实际工程中，选择具有适当硬度的材料可以延长工件的使用寿命。
除了上述的力学性能指标外，材料的疲劳性能和腐蚀性能也是进行力学行为与性能分析时需要考虑的因素。
疲劳性能是指材料在循环应变作用下的抗疲劳能力。
材料的疲劳寿命受到应力幅、循环次数和环境因素等的影响。
腐蚀性能则关注材料在不同环境中的耐腐蚀性。
不同材料的腐蚀行为受到介质的酸碱度、温度和氧化性等因素的影响。
最后，值得注意的是，机械材料的力学行为与性能分析不仅关注单一材料的性能，也涉及到不同材料之间的对比与选择。
在实际应用中，我们需要根据具体需求选择材料，并考虑材料的力学行为和性能。
同时，研究材料力学行为与性能分析的方法也在不断发展，如有限元分析、原子力显微镜等新技术的应用，使得我们能更加深入地了解材料的力学行为与性能。
高温环境下机械系统的热应变分析
高温环境下机械系统的热应变分析引言：在现代工业生产和科学研究中，机械系统的性能和稳定性是至关重要的。
然而，在高温环境下，机械系统会遭受热应变的影响，进而影响其工作效果。
本文将探讨高温环境下机械系统的热应变分析，分析其影响因素和改进措施，以提高机械系统的性能。
一、高温环境下机械系统的热应变原因高温环境下，机械系统的热应变主要来源于以下几个原因：1.材料热膨胀：材料在升高温度时，由于分子热运动的加剧，会导致材料扩张，从而产生热应变。
这种热应变会使机械系统的尺寸发生变化，从而影响其精度和稳定性。
2.热应力：高温环境下，机械系统的各个部件由于温度差异而产生热应力。
热应力会导致机械系统的变形和应变，加剧系统的磨损和疲劳，降低其寿命。
3.热传导：高温环境中，机械系统的各个组件由于热传导会产生温度差异。
温度差异会导致局部应力和变形，从而影响机械系统的性能和精度。
二、高温环境下机械系统的热应变分析方法针对高温环境下机械系统的热应变问题，可以采取以下几种分析方法：1.数值模拟分析：利用有限元分析软件，对机械系统在高温环境下的热应变进行模拟和计算。
通过模拟分析，可以得到各个部件的温度分布、应变和应力等信息，从而评估机械系统的热应变情况，并作出相应的优化改进。
2.实验测试分析：通过实验测试的方式，对机械系统在高温环境下的热应变进行测量和分析。
可以采用红外测温、光栅测量等技术手段，对机械系统进行全面的温度和应变测量，为进一步优化机械系统提供准确数据支持。
3.热应变监测：在高温环境下，对机械系统的关键部件进行热应变监测。
可以通过应变片、光纤应变计等传感器，实时监测机械系统的应变情况，及时发现问题并采取相应措施。
三、高温环境下机械系统热应变的影响因素机械系统的热应变受多种因素的影响，主要包括以下几个方面：1.材料特性：材料的热膨胀系数和导热系数对机械系统的热应变影响较大。
选择合适的材料，具有较小的热膨胀系数和导热系数，可以降低机械系统的热应变。
材料的疲劳性能(1)
问题的提出：
1）许多工程结构在服役时承受变动载荷 （如曲轴、连杆、齿轮、桥梁等）
2）在机械零件断裂失效中有80％以上属于疲劳破 坏
因此：研究材料的疲劳性能有重要意义
2.2 疲劳破坏的一般规律
一：疲劳破坏的变动应力
变动应力示意图
名词解释
疲劳： 工件在变动载荷和应变长期作用下，因累积损 伤而引起的断裂现象
疲劳微裂纹形成的三种形式
表面滑移带开裂解释
1）在循环载荷作用下，即使循环应力未超过材料屈服强 度，也会在试样表面形成循环滑移带
2）循环滑移带集中于某些局部区域（高应力或簿弱区） 3）循环滑移带很难去除，即使去除，再次循环加载时，
还会在原处再现 （驻留滑移带）
特征： 1）驻留滑移带一般只在表面形成，深度较浅，随循环次数
疲劳条带形成解释
1）塑性钝化模型 （L—S模型）
韧性疲劳条带 形成过程示意图
塑性钝化模型（L—S模型）
高塑性材料（如Al、Ni等）在变动循环应力作用 下，裂纹尖端的塑性张开钝化和闭合锐化，会使 裂纹向前延续扩展
特点： 循环拉应力时，张开钝化 循环压应力时，闭合锐化 一个循环，形成一条疲劳条带
循环应力类型 (a)(e) 交变应力 (b)(c)(d) 重复循环应力
循环应力的类型
对称循环 不对称循环 脉动循环
波动循环 随机变动应力
σm= 0, r = -1
σm≠ 0, -1 ＜ r ＜ 1
σm=σa＞0, r = 0 σm=σa＜0, r =-∞ σm＞σa， 0＜ r ＜1
二：疲劳破坏的概念
第二阶段： 沿垂直拉应力方向向前扩展形成主裂纹，直至最后形成
剪切唇 在第二阶段，穿晶扩展，对韧性材料：韧性疲劳条带；对 脆性材料：脆性条带
热机械疲劳机理
热机械疲劳机理热机械疲劳是指在高温和机械应力共同作用下，材料发生循环应力变化而引起的疲劳破坏。
热机械疲劳是许多工程结构和零部件在高温条件下工作时面临的主要问题之一，对于确保工程结构的安全可靠性具有重要意义。
了解热机械疲劳的机理对于材料的设计与应用具有重要价值。
热机械疲劳机理的研究可以从两个方面入手：热机械循环和疲劳损伤机理。
热机械循环是热机械疲劳的基础。
在高温下，材料受到热膨胀的影响，而机械应力会导致材料的变形和应变集中。
这些变形和应变集中引起了材料内部的位错和裂纹的生成和扩展。
热机械循环的特点是周期性的温度和应力变化，这会导致材料内部的位错和裂纹在循环载荷下逐渐扩展，最终导致疲劳破坏。
疲劳损伤机理是热机械疲劳的核心。
热机械疲劳过程中，材料内部的位错和裂纹会由于循环应力的作用而逐渐扩展。
位错是材料内部的晶格缺陷，会在循环应力下发生滑移和堆垛，从而形成位错堆垛。
这些位错堆垛会导致材料的塑性变形和局部应变集中，进一步加速裂纹扩展的速度。
裂纹的扩展会导致材料的强度和韧性下降，最终引起疲劳破坏。
在热机械疲劳机理的研究中，还需要考虑材料的高温变形行为和循环载荷下的材料损伤。
高温下材料的热膨胀系数较大，会导致材料的尺寸变化和形状变化。
这些变形会引起材料内部的应力集中和应变集中，从而产生热机械循环。
此外，循环载荷下材料的损伤行为也需要考虑。
材料在高温和循环应力的作用下会发生塑性变形、断裂和疲劳破坏等损伤行为，这些损伤行为对材料的寿命和可靠性具有重要影响。
研究热机械疲劳机理的目的是为了预测和评估材料在高温和循环载荷下的疲劳寿命。
通过建立热机械疲劳的本构模型和损伤模型，可以预测材料在实际工程应用中的寿命和可靠性。
同时，研究热机械疲劳机理还可以指导材料的设计与制备，提高材料的抗热机械疲劳性能。
热机械疲劳机理是热机械疲劳破坏的基础和核心。
通过研究热机械循环和疲劳损伤机理，可以揭示热机械疲劳的本质规律，为材料的设计与应用提供理论依据。
材料的机械行为
材料的机械行为1. 引言材料的机械行为是研究材料在外力作用下的变形和破坏行为。
通过了解材料的机械行为，可以预测材料的强度、韧性、硬度等力学性能，为材料的设计和应用提供理论依据。
本文将介绍材料的机械行为的根本概念、测试方法及其与材料的微观结构之间的关系。
2. 材料的机械行为根本概念2.1 变形变形是指材料在外力作用下的形状改变。
常见的变形包括拉伸、压缩、剪切等。
通过施加不同的外力，可以引起材料的不同类型的变形，从而研究材料的机械性能。
2.2 应力应力是指材料受到的单位面积上的力。
根据不同的外力形式，可以分为拉应力、压应力和剪应力。
应力的大小可以描述材料的承载能力。
2.3 应变应变是指材料在受到外力作用后的形变程度。
根据变形方式的不同，可以分为线性应变和剪切应变。
应变与应力之间的关系可以描述材料的刚性和弹性。
2.4 弹性和塑性弹性是指材料在受到外力后能够恢复到原始形状的能力。
塑性是指材料在受到外力后可以发生永久性变形的能力。
通过研究材料的弹性和塑性，可以评估材料的可靠性和耐用性。
3. 材料的机械行为测试方法3.1 拉伸测试拉伸测试是测量材料在拉力作用下的应力和应变的一种常用方法。
通过拉伸测试，可以确定材料的强度、韧性和延展性等机械性能指标。
3.2 压缩测试压缩测试是测量材料在压力作用下的应力和应变的一种常用方法。
通过压缩测试，可以评估材料的强度和压缩性能。
3.3 剪切测试剪切测试是测量材料在剪切力作用下的剪应力和剪应变的一种常用方法。
通过剪切测试，可以确定材料的剪切强度和剪切性能。
3.4 硬度测试硬度测试是测量材料抵抗刮擦或压痕的能力。
常用的硬度测试方法包括洛氏硬度、维氏硬度和布氏硬度等。
硬度测试可以描述材料的耐磨性和耐刮性能。
4. 材料的机械行为与微观结构的关系材料的机械行为与其微观结构之间存在着密切的关系。
不同的材料在微观结构上具有不同的组成和排列方式，从而导致其机械性能的差异。
4.1 结晶性材料结晶性材料的微观结构由晶体和晶界组成。
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第 ３卷 第 １期 ７ １
２００１ 年 １ 月 １
今 Ａ 学及
ＡＣＴＡ ＥＴＡＬＬＵ ＲＧＩ Ｍ ＣＡ Ｉ ＣＡ Ｓ ＮＩ
Ｖｏ．７ ．ｌ Ｎｏｌ １３ Ｎｏｖ ｍｂｅ ２ １ ｅ ｒ ０ ０
Ｓ ｉ ｃ晶须增强６６Ａ 基复合材料的热机械疲劳性能 ０１ Ｉ
Ｉ应力应变行为 ＊ ．
程中的应力应变行为和变形机制 结果表明，两种材料在同相和反相加教下均表现为循环软化；反 相加载产生拉仰平均应力，同相 加载产生压缩平 均应力； 在相同应变范围下，高 休积分数复合材料的循环应力范围比 低体积分数复合材料的应力 范围大 关键词 ６６Ａ１ ０ １ 基复合材料、 Ｓｃ晶须 热机械疲劳．力学行为 ｉ ＴＢ ３ ＴＧ１１ ３ ， １ 文献标识 码 Ａ 文章编号 ０１－１６（０ １０１ １８ ０ ４２ ９１２ ０）１－１９ － ５ 中图法分类号
ＴＨ ＥＲＭ Ｏ－ ＥＣＨＡＮ Ｉ Ｍ ＣＡＬ ＡＴＩ Ｆ ＧＵＥ ＯＦ ｉ Ｗ ＨＩ ＫＥＲ Ｓ Ｃ Ｓ ＲＥＩ Ｆ Ｎ ＯＲＣＥＤ ０ １ ６ ６ ＡＩ ＣＯＭ ＰＯＳ ＴＥＳ Ｉ
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图 ２ 热机械疲 务示意 图 Ｆｉ ２ ｃｅ ｔ ｄａ ｒｍ ｆ ｇ． Ｓｈ ｍａｉ ｉｇａ ｏ ＴＭＦ ｃ
的应力应变 行为
１ 实验方法 所用试 料是体积分数为 １％和 ２％Ｓ ５ ８ ｉ Ｃ品项 增强的
距范围内的温度波动和温度佛度控制在 士 之内 还可 ５℃ 以消除温度 一 时间波形的 扭曲． 试验时， 用一根热电 偶固 定在试样标距中间， 检测整个实验过程中试样的温度． 轴 向应变用标距为 １ ￣ 石英高温引伸计测定． ０ 选择同 相 和反相两种加载模式进行热机械疲劳实验， 用三角 采 波形 （ 示意图如图 ２所示）由机械应变控制． ， 实验中，试 样的 净应变 （ 用引伸计测量） 和温度由闭环计算机系 统控制以 达到所希望的机械应变和温度范围、 以及它们的位相关系 〔 同相或反相） ．试样净应变 ‘。 由下式确定 。
Ｍａ ｕｃｉｔ ｅｖｄ ０ －５ １ ， ｒｖｓｄ ｒ ２ ０－ ７ １ ｎ ｓｒｐ ｒｃ ｉｅ ２ １ ０－ ７ ｉ ｅｉｅ ｆ ｍ ０ １０ － ２ ｅ ０ ｎ ｏ
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Ｅｔ ｔ十 ｍ （ ｏ＋ Ｔ） ， （ ａ － ： ＝ｏＴ一 ｅ Ｅ ｈ Ｅ ａ １ ）
其中 ：ｌ ２ ，为热应变， ｓ 为机械应变， Ｔ ｍ ｏ为参考温 度． Ｔ 为实验温度， 。为热膨胀系数．实验前，对试 徉进行零载荷下 １０ ０ ５ ３０℃之间的热循环，测得 １％ ５
反相热机械疲劳实验采用压零应变控制， 模拟受约束 构件的实际状况， 同相热机械疲夯采用拉零应变以模拟反 约束构件的情况 ［１ １ ２ ２ 实验结果 ２１ 应力 一应变滞后回线 ． 两种体积分数复合材料的热机械疲劳滞后回 线的形 状和特征类似，图 ３表示 １％ ｗ ６Ａ 基复合材 ５ Ｓ ／０１ ｉ ６ ｃ ｌ 料机械应变范围均为 。 ． 朋７的同相和反相热机械疲劳最 初两周和半寿命时的应力 一机械应变滞后回线 从图 ３ ａ 可以看出， 对于同相热机械疲劳， 在第一循环的加热阶段 （ 也就是拉伸阶段）随着温度的升高和 ， 应变的增加， 应力
１应力应变行为 ．
１９１９
于 维 复合 纤 增强 材料 ！ｅ 有少 于 增强 属基 ６］ － ， 量关 颗粒 金 复 材 机械 性 究结 的报 Ｉｏ 合 料热 疲劳 能研 果 道 ９ ｌ而晶 ， ｌ 须
增 强金属基复合材料热机械疲劳的研究未见报道 本文通 过对两种体积分数 Ｓ 晶须增强 ６６Ａ 基复合材料进 ｉ ｃ ０１１ 行同相和反相热机械疲劳实验， 研究其热机械疲劳过程中
钱立和 王 中光
（ 中国科 学院金属研究所材料疲劳与 断裂国 家重点实验室一 沈阳 １ ０１） １ １６ ０
户 田裕之 小林俊 郎
（ Ｒ本丰桥技术科学大学生产系统工程系，日本丰桥 ４１８８ ４－５山
摘 要
对 积 为１ 体 分数 ５ ％和２％ 的ＳＣ ／０１１ 合 进 同 和反 机 疲劳（Ｍ ） 验 研 疲劳 ８ａ ｉｗ ６６Ａ 复 材料 行了 相 相热 械 Ｔ Ｆ 实 ， 究了 过
ＫＥＹ ＯＲＤＳ ０ １ ｃｍｐ ｓ ｅ ＳＣ ｈｓｅ． ｒ － ｃａ ｉａ ｆｔｇｅ ｍｅｈ ｎｃ ｌ ａ ｉｒ Ｗ ６６ Ａ１ ｏｉ ． ｗ ｉｋｒｔ ｅｍｏｍｅｈ ｎｃ ｌ ｉｕ ， ｃ ａ ｉ ｂｈ ｖｏ ｏ ｔ ｉ ｈ ａ ａ ｅ
金属基复合材料与基体合金相比 ，具有较高的比强 度、 刚度、 比 抗氧化和腐蚀能力 因而不仅应用于传统的结 沟 部件， 而且在航空航天部件上也得到应用． 非连续增强
热机械疲劳实验在 １０ ＭＴ ０ｋ Ｎ Ｓ液压伺服热机械疲 劳试验机上进行． 试样用 ２５ 感应线圈 ．ｋ Ｗ 加热， 用高压 空气冷却 试验前先进行预实验， 用三根热电偶分别固定 子试样标距中间和两端 进行热循环以检测试样温度的 均 匀性、 波动情况以及最佳温度循环周期． 对于本研究所用 材料， 发现当热疲劳循环温度区间为 １０ ０ ５－３０℃时，循 环周期为 １５ ２ｓ 较为合适，既可以缩短时间， 又可以把标
６６Ａ 基 合 ， 用 力 造法 造 １ 金相 片 ０１１ 复 材料 采 压 铸 制 １ １ １ 照
如图 １ 试件取自 ． 小方锭＿试件精加工之前进行固溶处理 （ ０℃保温 ２ 然后水淬， ５ ２ ｈ， ） 接着在 ３０℃保温 ２ ０ ｈ充 分 过时效， 以减少热机械疲劳过程中析出沉淀对性能的影 响． 采用圆柱形试样， 直径为 ６ 标距长度为 １ ｍｍ ｍ ｍ， ０