材料力学性能材料疲劳
材料力学性能-疲劳
第九讲：材料在交变载荷下的力学行为(下)
2016-04-22
温故而知新：
交变载荷及其重要参数； 交变载荷下的材料力学行为：疲劳及疲劳损伤； 金属疲劳破坏的特点：
阶段分明、低应力、不可预测
S-N曲线； 疲劳缺口敏感度； 疲劳裂纹扩展速率，Paris方程，Forman方程。
本讲重点(第9讲)：材料在交变载荷下的力学行为
经验表明，若把总应变幅 ∆ε 分解为弹性应变幅 ∆εe 和塑性应变幅 ∆εp 时，二者 与循环次数的关系都可以近似用直线表示。
仿照静拉伸时的真应力-真应变表达式，循环应力-
应变中的塑性部分表达式可以写为：
σ
ห้องสมุดไป่ตู้
p
=
K ′
∆ε p 2
n′
K ′：循环应变的强度系数
n′ ：循环加载下的形变硬化指数，一般0.1～0.2。
∆ε e
2
=
σ ′f
E
(2N f
)b
由此，Manson-Coffin提出塑性应变幅∆εp/2和疲劳寿命2Nf的 关系：即Manson-Coffin方程 ：
循环软化：应变幅恒定条件下， 变形抗力随周次的增加而不断减小 、应变逐渐增加的现象。危险！
经验表明：
Manson等人根据大量试验结果，归纳出预测材料发生循环硬化或软化的判据 (一次拉伸σb/σ0.2)：当σb/σ0.2 >1.4时，材料发生硬化；当σb/σ0.2 <1.2时，材料发生 软化；比值介于1.2～1.4之间时，难以判断；
低周疲劳和高周疲劳：
低周疲劳特点： 交变载荷大； 塑性变形； 寿命短，只有几千次。
高周疲劳特点： 交变载荷小，频率高； 弹性变形； 寿命长； 蠕变为主。
材料力学性能第五章_金属的疲劳
飞机舷窗
高速列车
5.1.3 疲劳宏观断口特征
疲劳断口保留了整个断裂过程的所有痕迹，记载着很多 断裂信息，具有明显的形貌特征，而这些特征又受材料 性质、应力状态、应力大小及环境因素的影响，因此对 疲劳断口的分析是研究疲劳过程、分析疲劳失效原因的 一种重要方法。 疲劳断裂经历了裂纹萌生和扩展过程。由于应力水平较 低，因此具有较明显的裂纹萌生和稳态扩展阶段，相应
疲劳破坏属低应力循环延时断裂，对于疲劳寿命 的预测就显得十分重要和必要。
对缺口、裂纹及组织等缺陷十分敏感，即对缺陷 具有高度的选择性。因为缺口或裂纹会引起应力 集中，加大对材料的损伤作用；组织缺陷(夹杂、 疏松、白点、脱碳等)，将降低材料的局部强度， 二者综合更加速疲劳破坏的起始与发展。
18
应力σmax/10MPa
40
20
灰铸铁
0 103 104
105
106
107
循环周次/次
108
109
41
图 几种材料的疲劳曲线
疲劳极限
有水平段（碳钢、合金结构钢、球铁等） 经过无限次应力循环也不发生疲劳断裂，将对应
的应力称为疲劳极限，记为σ-1（对称循环）
无水平段（铝合金、不锈钢、高强度钢等） 只是随应力降低，循环周次不断增大。此时，根 据材料的使用要求规定某一循环周次下不发生断 裂的应力作为条件疲劳极限。 例：高强度钢、铝合金和不锈钢：N＝108周次 钛合金：N＝107周次
大小：瞬断区大小与机件承受名义应力及材料性质 有关，高名义应力或低韧性材科，瞬断区大；反之。 瞬断区则小。
金属材料的力学性能及测定材料的韧性和疲劳强度
1-2
1.3.1 韧性简介
冲击吸收功AK与温度有关，见右下图所示。韧脆转变温 度越低，材料的低温抗冲击性能越好。
1-3
1.3.1 韧性简介
2、多冲抗力 金属材料抵抗小能量多次冲击的能力叫做多冲抗力。
多冲抗力可用在一定冲击能量下的冲断周次N表示。 材料的多冲抗力取决于材料强度与韧性的综合力学
性能，冲击能量高时，主要取决于材料的韧性；冲击 能量低时，主要决定于强度。
1-4
本课题重点与难点
教
学 重
韧性指标的表示方法和实际应用。
点
教
学Leabharlann 疲劳的概念、表示难方法、提高疲劳强度措施。
点
1-1
1.3.1 韧性简介
外力的瞬时冲击作用所引起的变形和应力比静载荷大得 多，因此在设计承受冲击载荷的零件和工具时，不仅要满足 强度、塑性、硬度等性能要求，还必须有足够的韧性。 1、冲击吸收功
材料力学性能-第五章-金属的疲劳(2)
2021年10月21日 星期四
材料 qf
第五章 金属的疲劳
表5-3 部分材料的qf值
结构钢
粗晶钢 球墨铸铁
0.6~0.8
0.1~0.2 0.11~0.25
灰铸铁 qf<0.05
钢经热处理后强度增加， qf增加。 高周疲劳时，大多数金属对缺口都十分敏
感，在低周疲劳时，对缺口的敏感性较小，主要 是因为低周疲劳时缺口根部已处于塑性区内，产 生了应力松弛，降低了应力集中。
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第五章 金属的疲劳
过载持久值
金属材料在高于疲劳极限的
应力下运行时，发生疲劳断裂的
循环周次称为材料的过载持久值，R
也称有限疲劳寿命，它表征了材 料对过载的抗力。
N
图5-12 过载持久值
曲线越陡，过载持久值越高，说明材料在相同 的过载荷下能承受的应力循环周次越多，材料的抗 过载能力越强。
AB曲线上任一点： tan max 2 m 1 r
因此只要知道了r，求得，从O作相应连线 OH，H点的纵坐标即为所求的疲劳极限。
H
A
B
O
m
45
C
min max(min)—m图
AB曲线是不同r下的max，AC曲线是不同r下 的min。此图是脆性材料的疲劳图，对于塑性材料， 应该用屈服强度0.2进行修正。
此题中，m=13，n=4，
故R=1/13× (2×546＋5×519＋5×492＋1×464)=508MPa
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第五章 金属的疲劳
测定时注意两个问题：
第一级应力水平要略高于预计的疲劳极限。对于钢
材，R≈0.45b~ 0.5b，建议取1＝0.5b。应力增量 一般为预计疲劳极限的3％~5％，钢材取
材料力学性能-第五章-其它疲劳类型(1)
第五章 金属的疲劳
不论是循环硬化材料还是循环软化
材料，应力－应变回线只有在循环周次
达到一定值后才是闭合的—达到稳定状
态。对于每一个固定的应变幅，都能得
到相应的稳定的滞后回线，将不同应变
幅的稳定滞后回线的顶点连接起来，就
得到图5-47所示的循环应力－应变曲线。
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第五章 金属的疲劳
时控制材料疲劳行为的已不是名义应力，而是塑
性变形区的循环塑性应变，所以，低周疲劳实质
上是循环塑性应变控制下的疲劳。
2021年10月21日 星期四
第五章 金属的疲劳
由于塑性变形的存在，应力
B
应变之间不再呈直线关系，
A
循环稳定后形成如图5-44所 示的封闭回线。
E
C
O
开始加载：O A B；
卸载：B C； 反向加载：C D； 反向卸载：D E； 再次拉伸：E B；
从而产生循环硬化。在冷加工后的金属中，充
满位错缠结和障碍，这些障碍在循环加载中被
破坏，或在一些沉淀强化不稳定的合金中，由
于沉淀结构在循环加载中被破坏均可导致循环
软化。
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第五章 金属的疲劳
二、低周疲劳的应变－寿命(-N)曲线
低周疲劳时总应变幅t包括弹性应变幅e和
塑性应变幅p，即t＝e＋p。Manson和Coffin
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第五章 金属的疲劳
在双对数坐标图上，上式等号右端两项是两条
直线，分别代表弹性应变幅-寿命线和塑性应变幅
寿命线，两条直线叠加成总应变幅-寿命线，如图5-
48所示。
直线交点对应的寿命称为过渡寿 命。交点左侧塑性应变幅起主导作 用，材料疲劳寿命由塑性控制；交 点右侧弹性应变幅起主导作用，材 料疲劳寿命由强度决定。因此，在 选择材料和确定工艺时，要弄清机 件承受哪一类疲劳。
材料力学性能总结3
2.磨损量的估算：J.F.Archard提出了粘着磨损量 估算方法。
在摩擦副接触处为三向压缩应力状态，其
接触压缩屈服强度近似为单向压缩屈服强度sc
的三倍。
设真实接触面积为A，接触压缩屈服强度为3sc，
作用于表面上的法向力为P 。假定磨屑呈半球 形，直径为d，任一瞬时有n个粘着点，设所有
粘着点的尺寸相同，直径为d，则：
2020/5/4
p
n d 2
4
3 sc
单位滑动距离内的接触点数
N
n d
4p
3scd 3
W
KNV' L
K
4p
3scd 3
2
3
d 2
3
L
K
pL
9 sc
K
pL 3H
接触点半球体积
V
'
2
d
3
3 2
H 3 sc
磨屑形成有个几率问题，几率为K --粘着磨 损系数 ，随压力增大而增加。
二、 表面强化及残余应力的影响
表面热处理及表面化学热处理：
整体加热(低淬透性钢、薄壳件) 利 表面淬火 火焰加热
用组织
相变获得表
感应加热
面强化，可使机
渗碳
件获得表硬心韧的 表面化学热处理
良好综合性能，可利用 组织相变及组织应力、热应
渗氮 碳氮共渗
力的变化，使机件表层获得很 高的强度和残余压应力。
复合强化
铁qf＝0-0.05。 • （铸铁中石墨片尺寸一般大于临界裂纹扩展尺
寸，再有缺口影响不大）
2020/5/4
• 第三节 疲劳裂纹扩展速率 a
及扩展门槛值
ac1
机械制造基础3_材料的力学性能指标
机械制造基础3_材料的力学性能指标材料的力学性能指标是指材料在力学加载下的表现和性能参数，用来评估材料的强度、刚度、韧性、耐磨性、抗疲劳性等。
以下将介绍常见的材料力学性能指标。
1.强度：材料的强度指的是其所能承受的最大应力。
常见的强度指标有屈服强度、抗拉强度、抗压强度等。
屈服强度是材料在弹性阶段的抗拉、抗压应力，即在材料开始发生塑性变形之前所能承受的应力。
抗拉强度是材料在拉伸过程中所能承受的最大应力，抗压强度是材料在受压过程中的最大应力。
2.刚度：材料的刚度指的是其抵抗变形的能力。
常见的刚度指标有弹性模量、切变模量等。
弹性模量是材料在弹性阶段的刚度大小，可以描述材料在拉伸或压缩时的回复能力。
切变模量是材料在剪切变形时的刚度大小，可以衡量材料的抗扭转能力。
3.韧性：材料的韧性指的是其在断裂前能够吸收的能量。
常见的韧性指标有延伸率、冲击韧性、断裂伸长率等。
延伸率表示材料在受拉时能够延长的程度，冲击韧性表示材料在受冲击载荷下的抵抗性能，断裂伸长率是材料在断裂前拉伸的长度与初始长度之比。
4.耐磨性：材料的耐磨性指的是其抗磨损能力。
常见的耐磨性指标有硬度、摩擦系数等。
硬度表示材料抵抗表面划伤、模具磨损等形变的能力，摩擦系数表示材料表面与其他物体接触时的磨擦阻力。
5.抗疲劳性：材料的抗疲劳性指的是其抵抗循环加载下疲劳破坏的能力。
常见的抗疲劳性指标有疲劳极限、疲劳寿命等。
疲劳极限是材料在疲劳加载下所能承受的最大应力，疲劳寿命表示材料在循环加载下能够承受的加载次数。
除了上述指标外，材料还有其他性能指标，如导热性能、热膨胀系数、电导率等，这些性能指标主要用于材料的特殊应用领域。
总而言之，材料的力学性能指标是评估材料力学特性的重要依据，不同的材料具有不同的力学性能指标，根据具体应用需求选择合适的材料和合适的力学性能指标是非常重要的。
材料力学性能
材料力学性能材料力学性能是指材料在受力作用下的表现，它是材料工程中最基本也是最重要的性能。
其特征可以通过材料的塑性、弹性、韧性、疲劳强度等描述。
一、塑性塑性是指材料在外力作用下，由于内部构造结构的变形而产生的变形能力。
材料受到足够大的外力时，会发生变形，并能保持变形状态。
当外力消失时，材料也可以恢复原来的形状。
塑性可以用弹性模量来衡量，单位为常用的GPa（千兆帕）或Mpa（兆帕）。
二、弹性弹性是指材料在外力作用下，由于内部构造结构的恢复能力而产生的恢复能力。
材料受到外力时，会发生变形，但当外力消失时，材料可以完全恢复原始形状。
弹性可以用弹性模量来衡量，单位为常用的GPa（千兆帕）或Mpa（兆帕）。
三、韧性韧性是指材料在受力作用下，由于内部构造结构的自我修复能力而产生的恢复能力。
当材料受到外力时，会发生变形，但当外力消失时，材料可以恢复部分原始形状。
韧性可以用韧性模量来衡量，单位为常用的GPa （千兆帕）或Mpa（兆帕）。
四、疲劳强度疲劳强度是指材料在受力作用下，由于内部构造结构的疲劳破坏而产生的抗疲劳能力。
当材料受到外力时，会逐渐发生疲劳破坏，最终导致破坏。
疲劳强度可以用抗疲劳模量来衡量，单位为常用的GPa（千兆帕）或Mpa（兆帕）。
五、吸能量吸能量是指材料在受力作用下，由于内部构造结构的吸收能力而产生的吸收能力。
当材料受到外力时，会吸收一定的能量，这就是材料的吸能量。
吸能量可以用吸能量模量来衡量，单位为J/m3。
材料力学性能是材料性能的基础，它可以直接反映出材料的物理性质，并且可以用来衡量材料的强度、硬度等性能。
正确理解材料力学性能，可以为材料工程应用提供重要参考。
材料力学性能第五章-金属的疲劳
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)。
材料力学性能讨论问题5
1.名词解释交变载荷疲劳疲劳寿命疲劳源驻留滑移带2.简述疲劳破坏的基本特征。
3.简述疲劳断口的宏观特征。
4.比较金属材料、陶瓷材料、高分子材料和复合材料疲劳断裂的特点。
1.名词解释交变载荷：是指大小、方向或大小和方向都随时间作周期性变化或非周期性变化的一类载荷。
疲劳：材料在循环载荷的长期作用下，即使受到的应力低于屈服强度，也会因为损伤的积累而引发断裂的现象叫做疲劳。
疲劳寿命:机件疲劳失效前的工作时间或循环周次。
疲劳源：是疲劳裂纹萌生的策源地，多出现在机件表面，常和缺口、裂纹、刀痕、蚀坑等缺陷相连。
驻留滑移带：在循环载荷的作用下，即使循环应力未超过材料屈服强度，也会在试件表面形成循环滑移带，即使去除了，再重新循环加载后，还会在原处再现。
故称这种永留或再现的循环滑移带为驻留滑移带（持久滑移带）。
•2.简述疲劳破坏的基本特征。
•疲劳破坏与静载或一次性冲击加载破坏比较具有以下特点：•⑴疲劳是一种潜藏的突发性破坏（脆性断裂）•在静载下显示韧性或脆性破坏的材料，在疲劳破坏前均不会发生明显的塑性变形，呈脆性断裂，易引起安全事故和造成经济损失。
•⑵疲劳破坏属低应力循环延时断裂•对于疲劳寿命的预测就显得十分重要和必要(订寿)。
•⑶疲劳对缺陷（缺口、裂纹及组织）十分敏感，即对缺陷具有高度的选择性。
•因为缺口或裂纹会引起应力集中，加大对材料的损伤作用；组织缺陷（夹杂、疏松、白点、脱碳等），将降低材料的局部强度，二者综合更加速疲劳破坏的起始与发展。
•3.简述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、瞬断区疲劳源：是疲劳裂纹萌生的策源地，多出现在机件表面，常和缺口、裂纹、刀痕、蚀坑等缺陷相连。
疲劳裂纹扩展区：是疲劳裂纹亚晶界扩展形成的区域。
断口较光滑并分布有贝纹线（或海滩花样），有时还有裂纹扩展台阶；贝纹线是疲劳区的最典型特征，疲劳区的每组贝纹线好像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。
材料力学性能指标
材料力学性能指标材料力学性能指标是评价材料力学性能优劣的重要标准，它直接影响着材料的使用范围和性能表现。
在工程实践中，材料力学性能指标的选择和评价对于材料的选用、设计和应用起着至关重要的作用。
本文将从材料的强度、韧性、硬度、塑性和疲劳性能等方面，对材料力学性能指标进行介绍和分析。
首先，材料的强度是衡量材料抵抗外部力量破坏的能力。
常见的强度指标包括抗拉强度、抗压强度、抗弯强度等。
抗拉强度是材料在拉伸状态下的最大承载能力，抗压强度是材料在受压状态下的最大承载能力，而抗弯强度则是材料在受弯状态下的最大承载能力。
这些强度指标直接反映了材料在外部力作用下的抵抗能力，是评价材料质量的重要依据。
其次，材料的韧性是衡量材料抵抗断裂的能力。
韧性指标包括断裂韧性、冲击韧性等。
断裂韧性是材料在受拉伸或受压状态下的抗断裂能力，而冲击韧性则是材料在受冲击载荷作用下的抗破坏能力。
韧性指标反映了材料在受外部冲击或载荷作用下的抗破坏能力，是评价材料耐用性和安全性的重要指标。
此外，材料的硬度是衡量材料抵抗划痕或压痕的能力。
硬度指标包括洛氏硬度、巴氏硬度、维氏硬度等。
这些硬度指标直接反映了材料表面的抗划痕和抗压痕能力，是评价材料表面耐磨性和耐磨损性的重要指标。
再次，材料的塑性是衡量材料抵抗变形的能力。
塑性指标包括屈服强度、延展率、收缩率等。
屈服强度是材料在受拉伸或受压状态下开始发生塑性变形的能力，延展率是材料在拉伸过程中的变形程度，而收缩率则是材料在冷却或凝固过程中的变形程度。
这些塑性指标反映了材料在受外部载荷作用下的塑性变形能力，是评价材料加工性和成形性的重要指标。
最后，材料的疲劳性能是衡量材料抵抗疲劳破坏的能力。
疲劳性能指标包括疲劳极限、疲劳寿命等。
疲劳极限是材料在循环载荷作用下的最大承载能力，疲劳寿命则是材料在循环载荷作用下的使用寿命。
这些疲劳性能指标反映了材料在循环载荷作用下的抗疲劳破坏能力，是评价材料使用寿命和安全性的重要指标。
材料的力学性能 材料的疲劳
5.2 疲劳断裂过程及其机理
5.2.3 疲劳裂纹扩展机制与断口微观特征
贝纹线与辉纹的差别
在疲劳断口上肉眼看到的贝纹线和在电子显微镜下看到的辉纹不是 一回事，相邻贝纹线之间可能有成千上万条辉纹。
贝纹线－ 宏观特征，是交变应力振幅变化或载荷大小改变等原因， 在宏观断口上遗留的裂纹前沿痕迹。有时在宏观断口上看不到贝纹线， 但在显微镜下却看到了疲劳辉纹。
5.1 疲劳现象
5.1.1 变动载荷
周期变动载荷又称为循环应力。它可以看成是由恒定的平均应力σm和变动的应力 半幅σa叠加而成，即在应力变化过程中，应力σ与时间t存在如下关系： σ= σm+σaf(t) 最大应力σmax—— 循环应力中数值最大的应力； 最小应力σmin—— 循环应力中数值最小的应力； 平均应力σm —— 循环应力中的应力不变部分：σm =（σmax +σmin）/2 应力半幅σa —— 循环应力中的应力变动部分的幅值:σa =（σmax－σmin）/2 应力循环对称系数（应力比）r—— 应力循环的部对称程度: r = σmin /σmax
5.2 疲劳断裂过程及其机理
5.2.3 疲劳裂纹扩展机制与断口微观特征
脆性疲劳辉纹的形成:
（a）应力为零，裂纹闭合状态； （b）受拉应力，裂纹前端解理裂 纹向前扩展； （c）很小的范围内产生局部塑性 变形； （d） 裂纹张开，发生钝化； （e）受压应力，裂纹闭合，裂纹 扩展一个条带的距离。
5.2 疲劳断裂过程及其机理
疲劳辉纹－微观特征，是用来判断是否由疲劳所引起的断裂的主要 依据之一。但是没有辉纹不能说就是不是疲劳断裂，因为有些金属在某 些条件下疲劳断裂时并不形成疲劳辉纹。
疲劳辉纹总是沿着局部裂纹扩展方向往外凸。但用这种特征来表示 宏观的扩展方向并不可靠，因为在一个断口上的疲劳辉纹可以指出裂纹 是在几个不同方向上扩展的。疲劳辉纹是相互平行的，且是等距的，没 有分枝与交叉，依次可以与其它辉纹花样区别开来。辉纹间距表示裂纹 扩展速率，间距愈宽，则裂纹扩展速率愈大。
材料的力学性能指标
材料的力学性能指标材料的力学性能指标是评价材料力学性能的重要标准，它直接影响着材料的使用性能和工程应用。
力学性能指标包括强度、韧性、硬度、塑性、疲劳性能等多个方面，下面将逐一介绍这些指标。
首先，强度是材料抵抗外部力量破坏的能力。
常见的强度指标包括拉伸强度、屈服强度、抗压强度等。
拉伸强度是材料在拉伸状态下抵抗破坏的能力，屈服强度是材料在受力到一定程度时开始产生塑性变形的能力，抗压强度是材料在受到压缩力作用下抵抗破坏的能力。
强度指标直接反映了材料的抗破坏能力，是衡量材料质量的重要标准之一。
其次，韧性是材料抵抗断裂的能力。
韧性指标包括断裂韧性、冲击韧性等。
断裂韧性是材料在受力作用下抵抗破坏的能力，冲击韧性是材料在受到冲击载荷时不发生破坏的能力。
韧性指标直接反映了材料的抗断裂能力，对于承受外部冲击载荷的材料尤为重要。
再次，硬度是材料抵抗局部变形的能力。
硬度指标包括洛氏硬度、巴氏硬度、维氏硬度等。
硬度指标直接反映了材料的抗变形能力，对于承受局部载荷的材料尤为重要。
此外，塑性是材料在受力作用下发生形变的能力。
塑性指标包括延伸率、收缩率、冷弯性等。
塑性指标直接反映了材料的可加工性和成型性，对于需要进行加工和成型的材料尤为重要。
最后，疲劳性能是材料在受到交变载荷作用下不发生破坏的能力。
疲劳性能指标包括疲劳极限、疲劳寿命等。
疲劳性能直接影响着材料在实际工程应用中的使用寿命，是衡量材料耐久性的重要标准之一。
综上所述，材料的力学性能指标是评价材料力学性能的重要标准，它直接影响着材料的使用性能和工程应用。
强度、韧性、硬度、塑性、疲劳性能等指标相互联系、相互影响，综合考虑这些指标可以全面评价材料的力学性能，为材料的选择和设计提供重要依据。
第四章 材料力学性能(材料科学基础)
对于某一确定的点，其应力由K1决定，K1越 大，则应力场各点的应力也越大。
按线弹性断裂力学的分析，裂纹尖端应力场强度因子K1的一般表达式为： K1 = Yσa1/2（MN/m3/2）
• δ=ΔL/L0=[(L-L0)/L0]×100% （是塑性“伸长”的度量） • 式中L0为试样原始标距长度；L为试样断裂后标距的长度。 •
ψ=ΔAf/A0=[(A0-Af)/A0] ×100% （是塑性“收缩”的度量） • 式中A0为试样原始截面积；Af为试样断裂处的截面积。
• 材料的延伸率和断面收缩率数值越大，表示材料的塑性越好。 塑性好的材料可以发生大量塑性变形而不被破坏，这样当受力 过大时，由于首先产生塑性变形而不致发生突然断裂，比较安 全。
材料的刚度和零件的刚度不是一回事，零件刚度的大小取决于零件的 几何形状和材料的弹性模量。
（2）弹性行为 • 弹性变形的特点是当载荷卸除后，试样的尺寸形状完全回复到原始状态。 • 根据材料的不同，其变形行为可分为三类：线弹性、非线弹性以及滞弹性。
理想的线弹性行为，应力 非线性弹性行为，如橡胶
和应变之间满足虎克定律。 之类的变形能力极好的弹
反映，用焦耳（J）来表示 • 在强度相等的情况下，延性材料断裂时所需要的能量比脆
性材料多，因此它的韧性也比脆性材料高。 • 评定材料韧性高低的方法，最常用的有两种： ➢ 一是用冲击试验所得的冲击韧性； ➢ 二是用断裂力学方法与试验测得的断裂韧性。
冲击韧性
一只重摆锤从高度h开始，沿着弧形轨迹向下摆动，冲击到试样上并把试 样打断，最后达到一个比较低的高度h` 。知道摆锤的初始高度h和最终高 度h`，就能算出势能差别。这一差别就是试样在断裂过程中所吸收的冲击 能Ak（冲击总功），如果除以缺口处试样的截面积，即得材料的冲击韧 性，用αk表示，单位为J/cm2。
材料的力学性能指标
材料的力学性能指标材料的力学性能指标是评价材料力学性能的重要参数，它直接影响着材料的使用性能和工程应用。
力学性能指标通常包括强度、硬度、韧性、塑性和疲劳性能等多个方面。
下面将对这些力学性能指标进行详细介绍。
首先，强度是材料抵抗外部载荷作用下变形和破坏的能力。
强度包括屈服强度、抗拉强度、抗压强度、抗弯强度等。
屈服强度是材料在拉伸过程中开始产生塑性变形的应力值，抗拉强度是材料抵抗拉伸破坏的能力，抗压强度是材料抵抗压缩破坏的能力，抗弯强度是材料抵抗弯曲破坏的能力。
强度指标反映了材料在外部载荷作用下的稳定性和安全性。
其次，硬度是材料抵抗外部划伤或压痕的能力。
硬度测试常用的方法有洛氏硬度、巴氏硬度、布氏硬度等。
硬度指标是评价材料抵抗表面破坏和耐磨损能力的重要参数，对于金属材料的选择和设计具有重要意义。
再次，韧性是材料抵抗断裂的能力。
韧性包括断裂韧性、冲击韧性、拉伸韧性等。
断裂韧性是材料在受到外部冲击或拉伸作用下抵抗破坏的能力，冲击韧性是材料在受到冲击载荷作用下不发生断裂的能力，拉伸韧性是材料在拉伸过程中能够吸收较大的变形能量而不断裂的能力。
韧性指标反映了材料在受到外部冲击或拉伸作用下的抗破坏能力和变形能量吸收能力。
此外，塑性是材料在受到外部加载作用下发生塑性变形的能力。
塑性包括延展性、收缩性、压缩变形等。
材料的塑性指标直接影响着材料的成形加工性能和变形加工性能。
最后，疲劳性能是材料在受到交变载荷作用下抵抗疲劳破坏的能力。
疲劳性能是评价材料在交变载荷下的抗疲劳寿命和抗疲劳破坏的能力，对于机械结构和零部件的设计和使用具有重要意义。
综上所述，材料的力学性能指标是评价材料力学性能的重要参数，它直接影响着材料的使用性能和工程应用。
强度、硬度、韧性、塑性和疲劳性能等多个方面的力学性能指标是相互关联、相互影响的，对于材料的选择、设计和应用具有重要意义。
在工程实践中，需要根据具体的工程要求和使用条件来选择合适的材料，并进行相应的力学性能测试和评价，以确保材料具有良好的力学性能和使用性能。
材料力学性能重点总结
材料力学性能重点总结1.强度：材料的强度是指材料在外力作用下抵抗破坏的能力。
常用于评估材料抗拉强度、抗压强度、抗弯强度等。
强度与材料内部结构关系紧密，常用措施是通过原子间结合力和晶粒结构的稳定性提高强度。
2.韧性：材料的韧性是指承受冲击负载时材料能够发生塑性变形而不发生断裂的能力。
韧性与材料断裂韧度有关，断裂韧度越高，材料的韧性越好。
韧性的提高可以通过增加材料的塑性变形能力来实现，例如降低材料的晶界和相界的应力集中。
3.硬度：材料的硬度是指材料抵抗外部划痕或压痕的能力。
硬度可以用于评价材料的耐磨性和抗划伤性能。
通常，硬度较高的材料具有较好的耐磨性和较高的抗划伤能力。
硬度可以通过提高材料的晶粒尺寸和强化材料的位错密度来改善。
4.塑性：材料的塑性是指材料在受力后能够发生可逆性的非弹性形变的能力。
塑性变形是材料在受力过程中重要的变形方式，可以提高材料的韧性和变形能力。
材料的塑性与材料的熔点、晶粒尺寸和晶粒形态等因素有关。
5.疲劳寿命：材料的疲劳寿命是指材料在循环加载下能够承受的应力循环次数。
疲劳寿命是材料设计和选择的重要指标，特别是在机械和航空领域中。
疲劳寿命与材料中的微观缺陷、动态应力等因素密切相关。
6.脆性：材料的脆性是指材料在受力时容易发生断裂的性质。
脆性材料在受力作用下会发生紧急的破坏，通常不会发生明显的可逆塑性变形。
与韧性材料相比，脆性材料更容易发生断裂。
材料的脆性取决于材料中的缺陷结构和应力分布。
总的来说，材料力学性能是评价材料质量的重要指标。
强度、韧性、硬度、塑性、疲劳寿命和脆性是材料力学性能的关键指标。
合理设计和选择材料可以改善材料力学性能，提高材料的耐久性和可靠性。
金属材料力学性能与疲劳寿命关系探索
金属材料力学性能与疲劳寿命关系探索金属材料是工程领域中最常用的材料之一，其力学性能与疲劳寿命之间的关系对于工程设计和结构安全至关重要。
本文将探索金属材料力学性能与疲劳寿命之间的关系，并重点讨论影响疲劳寿命的因素及其测试方法。
首先，了解金属材料的力学性能对于理解其疲劳寿命至关重要。
金属材料的力学性能包括强度、韧性、硬度等。
强度是指材料抵抗外力破坏的能力，可通过拉伸试验、压缩试验等方法进行评估。
韧性是指材料在受力时能够发生塑性变形的能力，常用冲击试验来评估韧性。
硬度是指材料抵抗局部压力的能力，可通过洛氏硬度试验、巴氏硬度试验等方法来测量。
这些力学性能参数可以为进一步分析材料的疲劳寿命提供依据。
其次，要探索金属材料力学性能与疲劳寿命之间的关系，还需要研究疲劳损伤的机制。
疲劳是指金属材料在交变载荷下发生的渐进性损伤现象，其主要机制包括裂纹萌生、扩展和失效。
裂纹萌生是指微小裂纹在应力循环中逐渐产生，扩展是指裂纹在材料中逐渐扩大，最终导致失效。
疲劳损伤的机制与金属材料的晶体结构、晶界特征、杂质等因素密切相关。
因此，了解金属材料的微观结构和缺陷对于预测和延长疲劳寿命具有重要意义。
影响金属材料疲劳寿命的因素有很多，其中包括应力幅值、应力比、环境因素等。
应力幅值是指材料在应力循环中的最大和最小值之间的差异。
应力比是指材料在应力循环中的最小和最大值之间的比值。
环境因素包括温度、湿度、氧气含量等。
这些因素会直接或间接地影响金属材料的疲劳寿命，因此，在评估金属材料的疲劳寿命时，需要综合考虑这些因素的影响。
针对上述问题，目前已经提出了许多测试方法来评估金属材料的疲劳寿命。
最常用的方法是疲劳试验，其基本原理是在特定的应力水平下施加交变载荷，通过观察试件的破裂情况以及测量裂纹长度等参数来评估材料的疲劳寿命。
此外，还有一些非破坏性测试方法，如声发射、红外热成像等，可以用于实时监测材料的疲劳损伤情况。
这些测试方法为预测金属材料的疲劳寿命提供了重要的手段。
812材料力学
812材料力学812材料力学是一门研究材料的力学性能和行为的学科。
它涉及到材料的强度、刚度、韧性等力学性质的研究，以及材料在外力作用下的变形、断裂、疲劳等行为的分析。
本文将以人类的视角，深入探讨812材料力学的相关内容。
一、材料的强度和刚度材料的强度和刚度是评价材料力学性能的重要指标。
强度指材料在外力作用下抵抗破坏的能力，而刚度则描述了材料在外力作用下的变形程度。
材料的强度和刚度受到多种因素的影响，如材料的组织结构、晶粒大小、杂质含量等。
通过调整这些因素，可以改善材料的力学性能。
二、材料的韧性和断裂行为材料的韧性是指材料在外力作用下发生塑性变形的能力。
韧性越高，材料越能抵抗断裂。
材料的断裂行为取决于其韧性和强度，当外力超过材料的强度时，材料会发生断裂。
在设计工程结构时，需要综合考虑材料的强度和韧性，以保证结构的安全性和可靠性。
三、材料的疲劳性能材料的疲劳性能描述了材料在循环载荷下发生疲劳破坏的能力。
疲劳破坏是指材料在循环载荷下发生的裂纹扩展和断裂。
材料的疲劳性能受到多种因素的影响，如载荷频率、应力幅值、材料的强度和韧性等。
在工程实践中，需要对材料的疲劳性能进行评估和预测，以保证结构的寿命和安全性。
四、材料的力学性能测试为了准确评估材料的力学性能，需要进行一系列的实验测试。
常见的测试方法包括拉伸试验、压缩试验、弯曲试验等。
通过这些试验可以获得材料的力学性能参数，如弹性模量、屈服强度、断裂韧性等。
这些参数对于材料的设计和选用具有重要意义。
812材料力学作为一门重要的学科，对于材料的研究与应用具有重要的指导作用。
通过对材料力学性能的研究，可以改善材料的性能，提高结构的安全性和可靠性。
同时，深入了解材料的力学行为，可以为材料的设计和应用提供科学依据。
在未来的发展中，812材料力学将继续发挥重要作用，推动材料科学和工程的进步。
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1. 分类 疲劳定义：机件在变动应力和应变长期作用下，由于
累积损伤而引起的断裂现象。 (1) 按应力状态不同，可分为：弯曲疲劳、扭转疲劳、
挤压疲劳、复合疲劳 (2) 按环境及接触情况不同，可分为：大气疲劳、腐
蚀疲劳、高温疲劳、热疲劳、接触疲劳 (3) 按断裂寿命和应力高低不同，可分为：高周疲劳、
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第一节 金属疲劳现象及特点
（2）疲劳区
是疲劳裂纹亚稳扩展所形成的断口区域，该区是判断疲劳 断裂的重要特征依据。
宏观特征：断口比较光滑并分布有贝纹线（或海滩花样）。 断口光滑是疲劳源区域的延续，但其程度随裂纹向前扩展
逐渐减弱。 贝纹线是疲劳区的最大特征，一般是由载荷变动引起的，
如机器运转时的开动和停歇。
低周疲劳，这是最基本的分类方法
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第一节 金属疲劳现象及特点
高周疲劳特点：断裂寿命较长，Nf>105周次，断裂应 力水平较低，σ<σs，也称低应力疲劳，一般常见的疲 劳都属于此类。
低周疲劳特点：断裂寿命较短，Nf=（104-105）周次， 断裂应力水平较高，σ≥σs，往往有塑性应变出现，也 称高应力疲劳或应变疲劳。
23
第一节 金属疲劳现象及特点
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第一节 金属疲劳现象及特点
2024Al合金疲劳条纹
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多源疲劳
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疲劳线的形成
名义应力定义：是一种等效应力，它等于作用于结构 上的力与等效作用面积的比值，等效作用面积是人为 定义的，不一定是力的实际作用面积。
名义应力较高时，因疲劳源有多个，裂纹从表面同时 向内扩展，其瞬断区就移向中心位置。
瞬断区的大小和机件名义应力及材料性质有关，若名 义应力较高或材料韧性较差，则瞬断区就较大，反之 瞬断区则较小。
主讲人: 张宁
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第五章 金属的疲劳
一、金属疲劳现象及特点 二、疲劳曲线及基本疲劳力学性能 三、疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值 四、疲劳过程及机理 五、影响疲劳强度的主要因素 六、低周疲劳
2
第五章 金属的疲劳
引言 • 材料构件在变动应力和应变的长期作用下，由于
累积损伤而引起的断裂的现象——疲劳。 • 疲劳属低应力循环延时断裂，其断裂应力水平往
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第一节 金属疲劳现象及特点
三、疲劳宏观断口特征
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疲劳断口特征 疲劳微观断口特征
疲劳源 扩展区 瞬断区
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第一节 金属疲劳现象及特点 疲劳断裂的宏观特征
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第一节 金属疲劳现象及特点
（1）疲劳源
在断口上，疲劳源一般在机件表面，常与缺口、裂纹、刀 痕、蚀坑等缺陷相连，由于应力不集中会引发疲劳裂纹。 金属的疲劳
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第一节 金属疲劳现象及特点
一、变动载荷
1. 变动载荷 定义：变动载荷是引
起疲劳破坏的外力， 指载荷大小，甚至方 向均随时间变化的载 荷，在单位面积上的 平均值为变动应力。
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第一节 金属疲劳现象及特点
随机载荷 偶然过载对疲劳性能影响很大
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第一节 金属疲劳现象及特点
2. 循环应力
(1) 对称交变应力 (2) 脉动应力 (3) 波动应力 (4) 不对称交变应力
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第一节 金属疲劳现象及特点
•最大应力σmax •最小应力σmin •平均应力σm •应力幅σa ＝0.5*（σmax-σmin） •应力比R ＝σmin/σmax •应力循环频率f ＝1/T
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第一节 金属疲劳现象及特点
口一样，随材料的性质而变： 脆性材料为结晶状断口， 韧性材料在中间平面应变区为放射状或人字纹断口，
在边缘平面应力区为剪切唇。
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第一节 金属疲劳现象及特点
瞬断区位置一般应在疲劳源的对侧，但对于旋转弯曲 来说，低名义应力光滑机件，其瞬断区位置逆旋转方 向偏转一定角度，这是因为疲劳裂纹旋转方向扩展快 的结果。
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第一节 金属疲劳现象及特点
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第一节 金属疲劳现象及特点
（3）瞬断区
是裂纹最后失稳快速扩展所形成的断口区域 在疲劳裂纹亚稳扩展阶段，随着应力不断循环，裂纹
尺寸不断长大， 当度裂KI达纹到长材大料到的临断界裂尺韧寸度acK时IC，（因K裂C）纹，尖则端裂的纹应失力稳场快强速
扩展，导致机件最后瞬时断裂。 宏观特征：断口比疲劳区粗糙，同静载的裂纹件的断
因此，疲劳是一种潜在的突发性断裂。
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第一节 金属疲劳现象及特点
（3）疲劳对缺陷（缺口、裂纹及组织缺陷）十分敏感 由于疲劳破坏是从局部开始的，所以它对缺陷具有
高度的选择性。 缺口和裂纹因应力集中增大对材料的损伤作用，组
织缺陷（夹杂、疏松、白点、脱碳等）降低材料的 局部强度，三者都加快了疲劳破坏的开始和发展。
材料内部存在严重冶金缺陷时，因局部强度降低也会在机 件内部产生疲劳源。
从断口形貌看，疲劳源区的光亮度最大，因为这里是整个 裂纹亚稳扩展过程中断面不断摩擦挤压，所以显示光亮平 滑。
当断口中同时存在几个疲劳源时，可根据源区的光亮度、 相邻疲劳区的大小、贝纹线的密度去确定疲劳源的产生顺 序。
源区的光亮度越大、相邻疲劳区越大、贝纹线越多，疲劳 源越先产生，反之，疲劳源越往后产生。
往<σb，甚至<σs； • 不产生明显的塑性变形，呈现突然的脆断。疲劳
断裂是一种非常危险的断裂。 • 工程中研究疲劳的规律、机理、力学性能指标、
影响因素等，具有重要的意义。
3
第五章 金属的疲劳
本章从材料学的角度研究金属疲劳的一 般规律、疲劳破坏过程及机理、疲劳力 学性能及其影响因素，
以便为疲劳强度设计和选用材料，改进 工艺提供基础知识。
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第一节 金属疲劳现象及特点
2. 特点
（1）疲劳是低应力循环延时断裂，即具有寿命的 断裂
断裂应力水平往往低于材料抗拉强度，甚至低于屈服强 度。
断裂寿命随应力不同而变化，应力高寿命短，应力低寿 命长。
当应力低于某一临界值时，寿命可达无限长。
（2）疲劳是脆性断裂
由于一般疲劳的应力水平比屈服强度低，所以不论是韧 性材料还是脆性材料，在疲劳断裂前不会发生塑性变形 及有形变预兆，它是在长期累积损伤过程中，经裂纹萌 生和缓慢亚稳扩展到临界尺寸ac时才突然发生的。