材料力学疲劳破坏
疲劳破坏特征
疲劳破坏特征
疲劳是指物体在受到重复加载或振动后逐渐失效的过程。
在工程材料和结构中，疲劳破坏是一种常见的失效形式，它会导致材料和结构的性能下降甚至失效。
疲劳破坏特征是指在材料或结构受到疲劳加载后出现的一些特征性破坏形态，了解这些特征对于预防疲劳破坏具有重要意义。
一、疲劳裂纹
疲劳裂纹是疲劳破坏的主要特征之一。
在材料或结构受到重复加载后，裂纹会逐渐形成并扩展，最终导致疲劳失效。
疲劳裂纹的形成和扩展是一个渐进的过程，通常会在材料的表面或表面下形成裂纹，然后逐渐扩展至整个截面，最终导致失效。
因此，对于疲劳裂纹的监测和控制至关重要。
二、表面粗糙度增加
在疲劳加载下，材料表面的粗糙度会逐渐增加。
这是因为疲劳加载会导致微观裂纹的形成和扩展，进而导致表面的粗糙度增加。
当表
面粗糙度增加到一定程度时，会导致应力集中和疲劳裂纹的形成，加剧了疲劳破坏的发展。
三、变形增加
在疲劳加载下，材料或结构的变形会逐渐增加。
这是因为疲劳加载会导致材料的塑性变形，进而导致变形增加。
随着变形的增加，材料或结构的强度和刚度会逐渐下降，最终导致疲劳失效。
综上所述，疲劳破坏特征包括疲劳裂纹的形成和扩展、表面粗糙度的增加以及变形的增加。
了解这些特征对于预防疲劳破坏具有重要意义，可以通过监测和控制这些特征来延缓疲劳失效的发生，提高材料和结构的使用寿命。
材料力学交变应力与疲劳强度
（1）若 非对称循环交变应力中的最小应力等于零（ ? ） min
r ? ? min ? 0
?
? max
? max
O
? min=0
t
r=0 的交变应力,称为脉动循环 (fluctuating cycle)交变应力
?
a
?
?
m
?
?
max
2
（2）r > 0 为同号应力循环; r < 0 为异号应力循环。
（3）构件在静应力下,各点处的应力保持恒定，即 ? max= ? min ， 若将静应力视作交变应力的一种特例,则其循环特征
例题1 一简支梁,在梁中间部分固接一电动机,由于电动机的 重力作用产生静弯曲变形,当电动机工作时,由于转子的偏心 而引起离心惯性力.由于离心惯性力的垂直分量随时间作周期 性的变化,梁产生交变应力.
ωt
?
max
?
st
?
min
?
ωt 静平衡位置
t
2、载荷不变 ,构件点的位置随时间做周期性的变化
例题2 火车轮轴上的力来自车箱.大小,方向基本不变.
（4）断口表面可明显区分为光滑区与粗糙区两部分.
粗糙区
光滑区 裂纹缘
用手折断铁丝,弯折一次一般不断,但反复来回弯折多次后, 铁丝就会发生裂断,这就是材料受交变应力作用而破坏的例子.
因疲劳破坏是在没有明显征兆的情况下突然发生的 ,极易 造成严重事故.据统计,机械零件,尤其是高速运转的构件的破坏, 大部分属于疲劳破坏.
? min= - ? max或 ?min= - ?max
r ? ? min ? ? 1 ? max
? ? max
r = -1 时的交变应力，称
材料力学之材料疲劳分析算法：断裂力学模型：实验方法与材料疲劳性能测试.Tex.header
材料力学之材料疲劳分析算法：断裂力学模型：实验方法与材料疲劳性能测试1 材料疲劳分析基础1.1 疲劳分析的基本概念疲劳分析是材料力学的一个重要分支，主要研究材料在循环载荷作用下逐渐产生损伤并最终导致断裂的过程。
材料在承受重复或周期性的应力时，即使应力远低于材料的静态强度极限，也可能发生疲劳破坏。
这一现象在工程设计中极为关键，因为许多结构件如桥梁、飞机部件、机械零件等，都可能在使用过程中遭受循环载荷。
1.1.1 原理与内容疲劳分析的基本概念包括：-应力幅：循环应力中最大应力与最小应力之差的一半。
-平均应力：循环应力中最大应力与最小应力的平均值。
-应力比：最小应力与最大应力的比值。
-循环次数：材料承受循环载荷的次数，直到发生疲劳破坏。
-疲劳强度：材料在特定循环次数下不发生疲劳破坏的最大应力。
1.2 疲劳损伤累积理论疲劳损伤累积理论是评估材料在不同载荷循环下累积损伤程度的理论。
其中，最著名的理论是Miner线性损伤累积理论，该理论认为材料的疲劳损伤是线性累积的，即每一次载荷循环对材料的总损伤贡献是相同的。
1.2.1 原理与内容Miner线性损伤累积理论的公式为：D=∑N i N fni=1其中：-D是总损伤度。
-N i是在应力水平i下的循环次数。
-N f是在应力水平i下材料的疲劳寿命。
1.2.2 示例代码假设我们有以下数据：-材料在应力水平100MPa下的疲劳寿命为10000次。
-材料在应力水平200MPa下的疲劳寿命为5000次。
-材料在应力水平300MPa下的疲劳寿命为2000次。
在实际应用中，材料可能在这些应力水平下分别承受了5000次、2000次和1000次循环。
1.3 S-N曲线与疲劳极限S-N曲线是描述材料疲劳性能的重要工具，它表示材料的应力水平与所能承受的循环次数之间的关系。
疲劳极限是指在无限次循环下材料能够承受而不发生疲劳破坏的最大应力。
1.3.1 原理与内容S-N曲线通常通过实验数据绘制，实验中材料样品在不同应力水平下进行循环加载，直到发生疲劳破坏，记录下每个应力水平下的循环次数。
《材料力学》第十章 疲劳强度的概念
试件分为若干组，最大应力值由高到底，以电动 机带动试样旋转，让每组试件经历对称循环的交变应 力，直至断裂破坏。
记录每根试件中的最大应力（名义应力，即疲 劳强度）及发生破坏时的应力循环次数（又称疲劳 寿命），即可得S —N应力寿命曲线。
max
m ax,1 m ax,2
O
应力—寿命曲线，也称S—N曲线。
应力循环：应力每重复变化一次，称为一个应力循环。 完成一个应力循环所需的时间T ，称为一个周期。
o
t
max
o
min
：最大应力
max
：最小应力
min
a
a m
t
：平均应力
m
：应力幅值
a
max
m in
a
a m
循环特征：r min max
o
m
1 2
max
min
t
a
1 2
max
min
max
[ 1]
0 1
nf
其中： max 是构件危险点的最大工作应力；
nf 是疲劳安全系数。
或表示成：n
0
1
max
1 K max
同理，对扭转交变应力有：n
k
1 k
1 n f
max
max
nf
10.4 提高构件疲劳强度的措施
疲劳裂纹主要形成于构件表面和应力集中部位，故提高 构件疲劳极限的措施有：
表面加工质量愈低， 愈小， r 降低愈多。 一 般 1，但可通过对构件表面作强化处理而得到大于1 的 值。
综合上述三种因素，对称循环下构件的疲劳极限为：
0
1
K
1
或
0
材料力学行为和破坏机理概述
材料力学行为和破坏机理概述材料力学是研究物质在外力作用下的行为和性能的一个重要分支学科。
在工程领域中，材料力学的研究对于材料的设计和应用具有重要意义。
本文将概述材料力学的基本概念以及与之相关的破坏机理。
材料力学行为是指材料在外力作用下的变形、应力和应变的规律。
材料的力学行为通常可以用应力-应变曲线来描述。
应力-应变曲线是一种反映材料力学性能的重要图像。
根据应力-应变曲线的形状，材料的力学性质可以分为弹性行为、塑性行为和粘弹行为。
弹性行为指材料在外力作用下发生变形后，当外力消失时恢复原状的性质。
在弹性阶段，应力-应变关系呈线性关系，即应力和应变成正比。
在这个阶段，材料的应变是完全可逆的，没有能量损失。
弹性行为在工程设计中非常重要，因为它决定了结构在受力后会不会出现永久变形。
塑性行为是指材料在外力作用下会发生永久变形的性质。
如果材料的应力-应变曲线呈现出一段完全可逆的弹性阶段后，随着应力的增加逐渐出现非线性关系，那么我们就可以认为材料是塑性的。
塑性行为是由于材料内部的晶体结构的滑移和位错运动引起的。
塑性行为的发生会导致材料的形状和尺寸发生永久改变，所以在工程设计中需要考虑材料的塑性行为。
粘弹行为是介于弹性行为和塑性行为之间的一种特殊力学行为。
粘弹行为表现为在应力施加后，材料会有一定的弹性变形和粘流变形。
粘弹性是许多聚合物材料的典型性质。
这种粘弹性行为是由于材料内部分子或聚合物链的断裂和位移引起的，它表现为材料在应力施加后会持续变化并会随时间逐渐恢复。
除了力学行为之外，材料破坏机理也是材料力学研究的重要内容。
材料的破坏可以是由不同的因素引起的，例如应力集中、缺陷存在、材料的微观结构等。
常见的破坏机理包括断裂、疲劳、蠕变和失效等。
断裂是指材料在受到较高的应力作用下发生断裂。
断裂可以是韧性断裂、脆性断裂或疲劳断裂。
韧性断裂是指材料在受到高应力时发生的大面积塑性变形，通常伴随着明显的能量吸收。
脆性断裂是指材料在受到高应力时几乎没有塑性变形，往往会发生迅速而剧烈的断裂，伴随着较少的能量吸收。
金属材料的疲劳寿命预测技术研究
金属材料的疲劳寿命预测技术研究随着工业技术的飞速发展，金属材料被广泛应用于各个领域，如航空、航天、机械、建筑、能源等。
然而，在实际使用过程中，金属材料往往会遭受反复的载荷作用，从而导致疲劳破坏。
因此，对金属材料的疲劳寿命预测技术进行研究，可以有效提高金属材料的使用寿命和可靠度，降低生产成本和安全风险，具有重要的意义。
一、疲劳破坏的基本原理疲劳破坏是指在受到一定振动载荷、循环载荷或周期变载荷作用后，材料逐渐发生裂纹并扩展，最终引起疲劳断裂的破坏模式。
其基本原理是通过分层作用在材料表面上形成微小的裂缝，通过反复作用使其层层扩展并最终导致材料疲劳破坏。
二、疲劳寿命预测的基本思路疲劳寿命预测是指根据材料的力学性能、应力状态和载荷历史等参数，预测材料在规定载荷下疲劳破坏的时间。
其基本思路是通过疲劳试验和应力分析，建立材料的疲劳寿命模型，从而预测其疲劳寿命。
三、疲劳寿命预测的方法1. 经验公式法经验公式法是一种基于试验数据的简单快速的疲劳寿命预测方法。
该方法通过对试验数据的分析，得出材料在不同载荷下的疲劳极限、疲劳极限应力等参数，从而推导出一个简单的疲劳寿命公式，用于预测材料的疲劳寿命。
但是，由于该方法忽略了材料内部的微观结构和外部的工况影响，因此具有局限性。
2. 应力分析法应力分析法是一种基于力学原理和材料力学性能测试的疲劳寿命预测方法。
该方法通过对材料在不同载荷下的应力状态进行分析，结合材料的弹性模量、屈服强度、断裂韧性等力学性能参数，从而预测材料的疲劳寿命。
该方法具有较高的精确度和应用广泛性，但同时也需要大量的试验数据和复杂的分析计算，对人员素质要求较高。
3. 损伤力学法损伤力学法是一种基于微观损伤开展的、直接考虑损伤与寿命的相关性质的疲劳寿命预测方法。
该方法通过考虑材料内部的微观结构变化，分析其内部的微观损伤状态，结合力学性能参数和组织结构，从而预测材料的疲劳寿命。
该方法具有较高的精确度和预测能力，但需要较为严格的材料寿命模型和数据。
北航材料力学课件-第17章 疲劳
(MPa)
100 60 20
O
答：B
t(秒)
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第十七章 疲劳
已知：r=-1/6，a=70MPa
求：m
一个应力循环
讨论：
max
max , min , a , m , r
中有几个独立变量？
m min
2 1
r
a
,
min
2r 1 r
a
m min
a t
m
max
min
2
1 1
r r
a
1 1/ 6 70 50MPa 1 1/ 6
Page15
第十七章 疲劳
§3 S-N曲线与材料的
疲劳极限
疲劳试验
S-N 曲线与材料疲劳极限
Page16
第十七章 疲劳
旋转弯曲疲劳试验
采用小尺寸（6~10 mm）光滑标准试 样（为一等强梁）
r
)N
－材料疲劳极限或条件疲劳极限
0
材料的持久极限与疲劳极限，统称为材料的疲劳极限
Page19
第十七章 疲劳
§4 影响构件疲劳极限的主要因素
构件外形的影响 构件横截面尺寸的影响 构件表面加工质量的影响
Page20
第十七章 疲劳
构件外形的影响
应力集中促使疲劳裂纹的形成 ，对构件疲劳强度的影响很大
Page10
第十七章 疲劳
恒幅循环应力描述
恒幅循环应力较常见，也是分析变幅循环应力问题的基础
两种描述方式：
最大应力 max 与最小应力min
平均应力m与应力幅a
m
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
材料力学-疲劳行为与疲劳寿命
动荷与疲劳
承受交变应力作用的构件或零部件，大部分 都在规则或不规则变化的应力作用下工作。
t
t
t
动荷与疲劳
交变应力的若干名词和术语
最大应力 平均应力
最小应力 应力幅值
动荷与疲劳
应力循环－应力变化的一个周期
应力循环
动荷与疲劳
应力比－应力循环中最小应力与最大应力之比
r
S min
S max
r Smax S
上述应力均未计及应力集中的影响，即由理论应力公式算得。 这些应力统称为名义应力（nominal stress）。如
FNx (拉伸) M z y (平面弯曲) M x (圆截面杆扭转 )
A
Iz
IP
动荷与疲劳 疲劳失效特征与失效原因分析
动荷与疲劳
疲劳失效特征
破坏时，名义应力值远低于材料的静载强 度极限； 交变应力作用下的疲劳破坏需要 经过一定数量的应力循环； 破坏前没有明显的塑性变形，即使韧性很好的材料，也会 呈现脆性断裂； 同一疲劳断口，一般都有明显的光滑区域和颗粒状区域。
min
S S min
max
S S maxn
min
动荷与疲劳
对称循环－应力比 r = -1 的应力循环
动荷与疲劳
脉冲循环－应力比 r = 0 的应力循环
动荷与疲劳
静应力（statical stress）—静应力作为交变 应力的特例，在静应力作用下：
r 1, Smax Smin Sm , Sa 0
动荷与疲劳
疲劳强度概述 疲劳极限与应力－寿命曲线 影响疲劳寿命的因素 基于有限寿命设计方法的疲劳强度 结论与讨论
动荷与疲劳
疲劳强度概述
动荷与疲劳
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)。
材料力学第15章 疲劳
图15.7 参数不随时间改变的交变应力称为等幅交变应力，反之称为变幅交变应力，
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材料力学
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如图15.7（d）所示为非对称循环变幅交变应力。以上关于循环特征的概念 多是对正应力σ而言，若杆件中出现的交变应力是切应力，上述概念同样适 用，只要把σ换成即可。 例15.1发动机连杆大头螺钉工作时最大拉力Fmax=58.3 kN，最小拉力 Fmin=55.8 kN，螺纹内径为 d=11.5 mm，试求σm，σa和r。 解首先确定最大、最小应力
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即
其中，σmax或max为构件危险点的最大工作应力，n为规定的安全系数，nσ
或n为构件工作安全系数。
例15.2旋转碳钢轴，如图15.18所示, 作用一不变的力偶M=0.8 kN·m,轴表
面经过精车, σb=600 MPa，σ－1=250 MPa，规定n=1.9,试校核轴的强度。
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图15.12
图15.13
所包含的杂质、缺陷就会增多，因此疲劳裂纹就越容易产生。尺寸增大使疲
劳极限降低的程度，用尺寸因素εσ或ε来表示为
其中，σ－1或－1是光滑小试件的疲劳极限，σ(－1)k或(－1)k是光滑大试 件的疲劳极限。显然，εσ或ε也是一个小于1的数，常用材料的尺寸因素
试样断裂前的应力循环次数即为试样转数，其值可由计数器读出。
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图15.8 15.3.2应力-寿命曲线（S-N曲线） 试验时，使第一根试样的最大应力σmax,1较高，约为强度极限σb的70%。 经历N1循环后，试样断裂N1称为应力σmax,1时的疲劳寿命，也称寿命。然 后，使第二根试样的应力σmax,2略低于第一根，它的寿命为N2。一般来说 ，随着应力水平的降低，疲劳寿命（导致疲劳失效的循环次数）迅速增加。 逐步降低了应力水平，得出与各应力水平相应的寿命。以σ应力为纵坐标，
材料力学行为和破坏机理概述
材料力学行为和破坏机理概述材料力学行为和破坏机理是材料科学与工程领域中的重要研究方向。
通过对材料力学行为的研究，可以深入了解材料在受力下的表现，从而为材料设计和工程应用提供基础理论支持。
同时，破坏机理的研究有助于掌握材料的失效原因，提高材料的强度和耐久性。
材料力学行为主要包括弹性、塑性、粘弹性和蠕变等方面的研究。
弹性是指材料在受力后可以恢复原状的性质。
弹性密度矩阵是一个重要的参数，它描述了材料在受力下的变形行为。
当材料受到外力作用时，其原子和分子会发生位移和变形，形成应力和应变。
弹性力学模型可以通过应力和应变之间的关系来描述材料的弹性行为。
塑性是指材料在受力下会发生持久性变形的性质。
当材料的应力超过其弹性范围时，会产生塑性变形。
通常，材料的塑性行为可以通过屈服强度和塑性应变来描述。
屈服强度是材料在受力下开始发生塑性变形时的应力值，而塑性应变则是材料发生塑性变形的量度。
塑性变形一般会导致材料的断裂或失效，因此塑性行为的研究对于材料设计和使用至关重要。
粘弹性是一种介于弹性和流变之间的材料行为。
粘弹性材料在受力下会同时表现出弹性和流变的特点。
粘弹性行为主要由粘弹性模量和粘弹性系数来描述。
粘弹性模量表示材料在受到外力作用时所表现出的回弹性质，而粘弹性系数则表示材料在变形过程中的粘滞程度。
蠕变是材料在长时间高温下发生的持续性变形现象。
蠕变行为的研究对于高温环境下工程结构的设计具有重要的意义。
蠕变主要由蠕变速率和蠕变寿命来描述。
蠕变速率表示材料在长时间受力下的变形速度，而蠕变寿命则是材料能够承受蠕变变形的时间。
在材料的使用过程中，破坏机理是一个至关重要的研究领域。
破坏机理的研究可以帮助我们了解材料的强度和耐久性，从而对材料的使用和维护提供指导。
常见的破坏机理包括断裂、疲劳和腐蚀等。
断裂是指材料在受到外力作用下破碎或失效的现象。
断裂行为可以通过断裂韧性来描述。
断裂韧性是材料抵抗断裂的能力，通常通过拉伸试验中的断裂应变和断裂应力来评估。
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。
材料力学的疲劳寿命分析
材料力学的疲劳寿命分析疲劳寿命是材料力学中一个重要的概念，它指的是材料在受到循环加载后发生疲劳破坏之前所经历的循环次数。
在工程设计和结构分析中，准确预测和分析材料的疲劳寿命至关重要，因为它直接影响着材料的可靠性和使用寿命。
一、疲劳破坏的基本原理材料在受到循环加载时，会发生微观裂纹的形成和扩展，导致材料的强度和韧性逐渐降低，最终导致疲劳破坏。
疲劳破坏的过程可以分为三个阶段：裂纹形成、裂纹扩展和破坏。
1. 裂纹形成阶段当材料受到应力加载时，存在缺陷和不均匀性，这些缺陷和不均匀性会导致应力集中。
在循环加载下，应力集中区域会产生局部塑性变形，并逐渐形成微小裂纹。
2. 裂纹扩展阶段一旦形成微小裂纹，循环加载会导致裂纹逐渐扩展。
这个阶段通常被称为裂纹扩展阶段，裂纹的扩展速率与应力幅、裂纹长度和材料的疲劳性能有关。
3. 破坏阶段当裂纹扩展到一定长度时，材料会因为强度和韧性的降低而发生破坏。
这个阶段是疲劳破坏的最终结果，材料在此时失去了重要的功能和可靠性。
二、疲劳寿命分析方法为了准确预测和分析材料的疲劳寿命，工程师和科学家开发了多种不同的疲劳寿命分析方法。
下面介绍几种常用的方法。
1. 应力范围法应力范围法是最简单和常用的疲劳寿命分析方法之一。
它基于材料的应力应变关系，并通过测量和计算加载的应力范围来估计疲劳寿命。
2. 应力域法应力域法考虑了应力的变化范围和频次对疲劳寿命的影响。
它将应力和应力范围绘制在应力-寿命曲线上，以确定疲劳寿命。
3. 塑性行为法塑性行为法通过考虑材料的塑性行为，如应力应变曲线的形状和材料的硬化行为，来进行疲劳寿命分析。
这种方法更适用于高强度材料和复杂加载情况下的分析。
4. 线性弹性应力法线性弹性应力法是一种基于材料的线性弹性行为进行疲劳寿命分析的方法。
它假设材料的疲劳寿命与应力幅有关，通过测量和计算应力幅来评估疲劳寿命。
三、影响疲劳寿命的因素除了疲劳寿命分析方法，还有一些其他因素会对材料的疲劳寿命产生影响。
讲解—材料的疲劳性能
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。
材料力学破坏的三种形式
材料力学破坏的三种形式材料力学中的破坏形式就像人生中的那些小插曲，有时候让人哭笑不得。
我们来聊聊这三种破坏形式，别担心，我会尽量用通俗易懂的方式，让你轻松愉快地了解。
咱们得说说脆性破坏。
想象一下，你买了一个漂亮的杯子，结果不小心掉地上，啪的一声，碎了。
这就是脆性破坏的典型案例，没啥缓冲，直接就“见光死”。
材料在承受应力时，完全没给自己留条后路，瞬间就崩溃了。
生活中，脆性破坏就像那些脾气大的人，平时好好的，突然炸了，啥也不留情面。
接着聊聊延性破坏。
这个就像是我们在面对生活的压力时，学会了低头，不是认输，而是找到了折中的办法。
想象你在运动场上，参加一个接力赛，腿有点酸了，但是你依然坚持，直到最后一刻才放弃。
延性破坏的材料可以在拉伸过程中产生变形，像小孩子一样，虽然哭了，但还是不想让爸妈担心，努力忍耐。
它们的韧性强，能承受一段时间的压力，最后才会慢慢崩溃。
这种破坏方式其实有点像我们生活中的挫折，经历了磨难，才显得更坚韧。
咱们再来看看疲劳破坏。
这个就像是你每天都在熬夜，工作压力山大，终于某天精神崩溃的那种感觉。
疲劳破坏是在反复的负荷下逐渐发生的，表面看起来没啥问题，实际上内心早已千疮百孔。
想想你在上班的时候，工作一段时间就感到精疲力竭，这就是疲劳的体现。
材料经过无数次的循环应力，终于忍无可忍，咔嚓一声。
它就像生活中的隐形压力，逐渐累积，最终导致崩溃。
这些破坏形式其实可以反映我们生活中的种种状况，脆性、延性和疲劳，就像我们应对困难时的不同反应。
脆性是直接的放弃，延性是经过努力的坚持，而疲劳则是潜移默化的累积。
在生活中，我们也会遇到各种压力，像是来自工作、家庭或者人际关系的种种挑战。
我们可能会在某个瞬间选择坚强，也可能在无数个日子里默默承受。
说到这里，大家可能会发现，材料力学和生活并没有太大区别。
每种破坏形式都有它独特的魅力和悲剧。
脆性让我想起那些瞬间爆发的冲突，延性让我想到努力拼搏的奋斗，疲劳则像是生活中无法言说的苦涩。
材料力学疲劳控制知识点总结
材料力学疲劳控制知识点总结材料力学疲劳控制是材料科学中的重要研究领域，它主要关注材料在长期交变载荷作用下可能发生的疲劳损伤。
疲劳是指在交变载荷下，由于材料内部的微观缺陷引发的应力集中与聚集，逐渐发展为裂纹并沿裂纹扩展导致材料失效的过程。
为了提高材料的疲劳寿命和安全性能，研究人员通过实验和理论分析总结出了一些疲劳控制的重要知识点。
本文将对材料力学疲劳控制的一些关键知识点进行总结，并提供相应的理论和实践依据。
1. 疲劳寿命预测方法疲劳寿命预测是疲劳控制的重要手段之一。
常用的疲劳寿命预测方法包括极限应力法、应力幅法和能量方法。
极限应力法基于材料的疲劳极限强度，并结合应力幅进行寿命预测；应力幅法则是根据应力幅的大小与疲劳寿命之间的关系进行预测；能量方法基于疲劳过程中损耗的能量大小进行预测。
这些方法各有优缺点，可以根据具体情况选择合适的预测方法。
2. 疲劳强化表面处理技术为了提高材料的疲劳寿命和抗疲劳性能，人们通过表面处理技术，如喷丸、表面覆盖层以及化学物质沉积等方法对材料表面进行改性。
喷丸能够消除材料表面的缺陷并提高表面硬度；表面覆盖层技术可以改变材料表面的组织结构，增强表面强度和耐疲劳性能；化学物质沉积技术通过在表面形成一层化合物或合金层，提高材料的抗疲劳性能。
这些表面处理技术可以有效地延长材料的疲劳寿命。
3. 高周疲劳与低周疲劳根据载荷频率的不同，材料的疲劳失效可以分为高周疲劳和低周疲劳。
高周疲劳是指在载荷频率较高的情况下，材料发生的疲劳破坏；低周疲劳则是指在载荷频率较低的情况下，材料发生的疲劳破坏。
高周疲劳与低周疲劳的机制和特点有所不同，因此在疲劳控制中需要针对不同的情况采取相应的措施。
4. 疲劳裂纹扩展机制疲劳裂纹是材料疲劳失效的重要因素之一。
疲劳裂纹的扩展机制通过裂纹尖端的位错运动、晶界滑移和变形等方式进行。
对于不同材料和疲劳载荷下的裂纹扩展机制，需要采用适当的试验方法和理论模型进行研究和分析。
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疲劳破坏原因：
交变应力下材料的累积塑性变形是疲劳破坏的 主要原因。
精选课件
工程12力学
疲劳破坏过程
1. 疲劳裂纹形成 （萌生、成核） 阶段
2. 裂纹扩展阶段
• 微观裂纹扩 展阶段
• 宏观裂纹扩 展阶段
3. 脆性断裂阶段
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工程13力学
§10-2 交变应力的要素
应力循环周期T——一个周期变化所需要的时间 最大应力σmax 、最小应力σmin
这种裂纹随着应力循环次数的增多而逐 步扩展。在此扩展过程中，随着应力交替地 变化，裂纹两边的材料时分时合，并互相研 磨，因而形成断面的光滑区域。
通常光滑区域上还有疏密不等的贝壳状条
纹。称为疲劳裂纹前沿精选课线件 。
工程11力学
随着裂纹的不断扩展，构 件截面的有效面积不断减小， 最后当削弱到不能抵抗破坏时， 就突然断裂，断面上的粗糙颗 粒就是由于最后的突然断裂而 形成的。
精选课件
工程18力学
测定疲劳破坏应力的试验称为耐久性试验 旋转弯曲疲劳试验机
max Mmax
mi n
W
精选课件
工程19力学
耐久性试验包括： •拉压。 •弯曲 •扭转
实践证明：弯曲疲劳极限（σ-1）b、扭转
疲劳极限-1以及拉压疲劳极限σ-1之间有如下 近似线性关系。
•对于钢， （σ-1）b=0.85σ-1。 -1 =0.55σ-1。 •对铸铁， （σ-1）b=0.65σ-1。 -1 =0.90σ-1。
疲劳破坏有裂纹的发生、扩 展和断裂三个部分。
裂纹产生的位置称为疲劳源 或裂纹源。
裂纹扩展但未断裂的区域称 为扩展区，通常对应光滑区。
裂纹断裂的区域称为断裂区 ，通常对应粗糙区。精选课件
工程10力学
疲劳破坏的过程：
一般认为是：当交变应力大 小超过一定限度，在构件中应 力为最大处或材料有缺陷处， 材料经过应力多次交替变化后， 首先产生细微裂纹源。
主讲教师：李林安
答疑地点: 16教学楼一层西侧120 联系电话:27406912 Email: lali@
疲劳破坏
• 交变载荷下材料的疲 劳破坏
问题
1、什么是疲劳破坏？有何特征？ 2、循环特征、疲劳极限？ 3、影响疲劳极限的因素有哪些？
§10-1 交变应力的概念
在工程中，有许多构件在工作时出现随时间作交替 变化的应力，这种应力称为交变应力。
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工程8力学
疲劳破坏特点Βιβλιοθήκη 交变应力引起的疲劳失效 与静应力引起的强度失效有本 质的区别：
1.疲劳破坏是构件在工作应 力低于强度极限，甚至低于屈 服极限的情况下突然发生的断 裂，往往具有突发性。
2.塑性材料构件也呈脆性断裂，即使塑性
性能很好的材料在断裂前也无明显的塑性变
形。
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工程9力学
3. 构件的疲劳破坏断口上 有两个明显区域：光滑区与粗 糙区，其中粗糙区又称为瞬断 区，断口呈颗粒状。
有效应力集中k系数
影响构件疲劳极限的因素 • 应力集中 • 构件尺寸 • 构件表面加工质量
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工程22力学
1、构件外形的影响
由于结构与工艺的要求，工程构件的形状 与光滑试件有很大的差异，如传动轴上会有键 槽、轴肩、横孔等。构件此种外形的变化，将 会引起应力集中，在应力集中的局部区域较易 形成疲劳裂纹，使构件的疲劳极限显著低于材 料的疲劳极限 。
构件产生交变应力的原因
有的是由于载荷的大小、方向或位置随时间作交替的 变化；有的虽然载荷不随时间而改变，但构件本身在 旋转。
火车轮轴就属于后一种情况，下面以车轴为例来分析 应力随时间作交替变化的过程。
精选课件
工程5力学
AM I yM I srint
车轴每旋转一周，A点的应力就重复变化一次，称为一
个应力循环，随着车轴的不停地旋转，应力作周期性的
变化。
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工程6力学
单向传动的啮合齿轮根部的弯曲正应力循环特性
精选课件
工程7力学
疲劳——材料对交变应力抵 抗力下降的现象。
疲劳破坏——在交变应力作 用下构件发生的破坏
据统计，在机械零件失 效中有80%以上属于疲劳 破坏。
疲劳破坏发生的断面称为疲劳断口，
是分析疲劳类型，判断疲劳事故原因的特
征区域。
=σm（静应力）+σa（精对选课称件 循环应力）
工程15力学
§10-3 材料的疲劳极限
在交变载荷作用下工作的构件存在一个 能继续工作多长时间的问题，称为疲劳寿命。
研究疲劳寿命的主要方法有： •应力-寿命法。S-N法。 •应变-寿命法。-N法。 •断裂力学法。
S-N法是主要方法，要求零件有无限寿 命或很长寿命。适用于低应力幅。
疲劳极限或持久极限
——试件可经无限次应力循环而不发生疲劳
破坏，交变应力最大值精选课件
工程16力学
疲劳极限测定方法： 疲劳寿命N 对称循环条件下，疲劳极限值记为σ-1
应力—疲劳寿命曲线含义：
σmax >σ-1,试件经历有 限次循环就破坏
•σmax <σ-1,试件经 历无限次循环而不 发生破坏 •σmax =σ-1,r=-1时材 料的疲劳极限
精选课件
工程20力学
同一种基本变形形式下的持久极限以对称 循环是的持久极限为最低。
所以，以对 称循环交变 应力下的持 久极限作为 材料在交变 应力下的主 要强度指标。
精选课件疲劳图线
工程21力学
§10-4 构件的疲劳极限
在实验测定材料疲劳极限的基础上，将构 件的形状、尺寸及表面加工质量等因素的影响 分别独立地以系数的形式修正材料的疲劳极限， 得到构件的疲劳极限。
循环特征（应力比或 循环特性）
r min max
平均应力σm和应力幅 σa
m12(maxmin)
1
( ) a 2 精选课件
max
min
工程14力学
交变应力分类
1. 对称循环交变应力 r=-1
2. 非对称循环交变应 力r≠-1
• 脉动循环交变应 力r=0
3. 静应力（静载荷） r=1 σmax(任何交变应力）
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工程17力学
一般地，N0=107
“条件”疲劳极限 ——对于有色金属曲线无明显趋近于水平直 线，这时可以规定一个循环次数N0=107
实践证明：疲劳极限σ-1与材料的抗拉强度有 一定关系。如：
•对于钢， σ-1约为0.5 σb 。 •对于灰铸铁， σ-1约为0.42 σb 。 •对于球墨铸铁， σ-1约为0.48 σb 。 •对于铝合金， σ-1约为0.3~ 0.35 σb 。