材料性能_ 材料的疲劳性能_7-4 疲劳抗力指标_
复合材料的疲劳寿命与性能评估
复合材料的疲劳寿命与性能评估在现代工程领域，复合材料因其卓越的性能而备受青睐。
从航空航天到汽车制造，从体育器材到医疗器械，复合材料的应用无处不在。
然而，要确保这些材料在长期使用中的可靠性和安全性，对其疲劳寿命和性能进行准确评估就显得至关重要。
复合材料与传统材料相比，具有独特的性能优势。
它们通常由两种或更多种不同性质的材料组合而成，通过巧妙的设计和制造工艺，实现了单一材料无法达到的性能指标。
例如，碳纤维增强复合材料具有高强度、高刚度和低密度的特点，这使得其在追求轻量化和高性能的应用中具有极大的吸引力。
疲劳寿命是指材料在反复加载和卸载的循环作用下，直至发生失效所经历的循环次数。
对于复合材料而言，其疲劳寿命的评估是一个复杂的过程，受到众多因素的影响。
首先，材料的组成和微观结构起着关键作用。
复合材料中的增强纤维和基体材料的性能、纤维的排列方向和分布、纤维与基体之间的界面结合强度等，都会直接影响疲劳寿命。
以碳纤维增强复合材料为例，如果碳纤维在基体中的分布不均匀或者纤维与基体之间的界面结合不良，那么在循环载荷作用下，容易在这些薄弱部位产生裂纹，并逐渐扩展，从而降低材料的疲劳寿命。
其次，加载条件也是影响复合材料疲劳寿命的重要因素。
加载的频率、幅值、波形以及加载的环境温度和湿度等，都会对疲劳性能产生影响。
例如，高频加载往往会导致材料内部的热量积聚，加速材料的损伤和失效；而在潮湿的环境中，水分可能会渗透到材料内部，削弱纤维与基体之间的结合力，从而降低疲劳寿命。
此外，制造工艺也会对复合材料的疲劳性能产生显著影响。
制造过程中的缺陷，如孔隙、分层、纤维褶皱等，会成为潜在的裂纹源，降低材料的疲劳强度。
因此，优化制造工艺，减少缺陷的产生，对于提高复合材料的疲劳寿命至关重要。
为了评估复合材料的疲劳寿命，研究人员采用了多种实验方法和理论模型。
常见的实验方法包括恒幅疲劳试验、变幅疲劳试验和随机疲劳试验等。
在实验过程中，通过监测材料在不同循环次数下的应力、应变以及损伤的发展情况，来确定材料的疲劳寿命和疲劳性能。
材料科学-材料性能与指标
溶剂都可以将其溶解； • 交联型高分子在有机溶剂中不溶解，但能溶胀，使材
料体积膨胀，性能变差； • 不同的高分子材料，其分子链以及侧基不同，对各种
有机溶剂表现出不同的耐受性； • 组织结构对耐溶剂性也有较大影响。
– 例如，作为结晶性聚合物，聚乙烯在大多数有机溶剂中都难 溶，因而具有很好的耐溶剂性。
2.1.4 耐老化性 (3) Chemical stability of polymers ——高分子材料面临的问题
应力-应变曲线
无明显屈服的塑性材料拉伸曲线
树脂材料拉伸曲线
(MPa)
900
800
锰钢
700
600
硬铝
500
低碳钢
400
300
200 退火球墨铸铁
100
(%)
0 10 20 30
延展性或塑性的表征
• 延伸率
elongation
l f l0 100%
l0
< 5%：
脆性材料
材料性能知识点总结
材料性能知识点总结材料的性能是指材料在特定条件下所表现出来的力学、物理、化学、热学等方面的特性。
了解材料的性能对于进行材料的选择、设计以及工程应用至关重要。
本文将从材料的力学性能、物理性能、化学性能和热学性能等方面进行总结。
一、材料的力学性能1. 强度材料的强度是指材料抵抗外部力作用下抵抗破坏的能力。
常见的强度指标包括抗拉强度、抗压强度、抗弯强度等。
强度是材料最基本的性能之一，对于工程结构的设计和选择材料至关重要。
2. 韧性材料的韧性是指材料在受到外部力作用下发生损伤时的能力。
与强度不同，韧性反映了材料在受到冲击或者局部损伤后的延展性和吸能能力。
韧性高的材料通常会在受力后产生一定程度的变形而不会立即断裂。
3. 刚度材料的刚度是指材料在受力作用下的变形程度。
刚度高的材料在受力后会产生较小的变形，具有较好的抗变形能力。
在很多工程应用中要求材料具有一定的刚度以满足设计要求。
4. 硬度材料的硬度是指材料抵抗表面划伤或者压痕的能力。
硬度测试通常通过洛氏硬度、巴氏硬度等方法进行检测。
硬度是材料的持久性能，硬度高的材料通常耐磨损、耐腐蚀能力较强。
5. 疲劳性能材料的疲劳性能是指材料在受到交变载荷或者重复载荷作用下的抗疲劳能力。
疲劳性能是材料在实际使用中的重要性能之一，对于机械零部件、航空工业等领域的材料选择至关重要。
6. 蠕变性能材料的蠕变性能是指材料在高温下长期受力变形的抗蠕变能力。
在高温环境下，材料的蠕变性能会影响结构的安全和可靠性。
二、材料的物理性能1. 密度材料的密度是指单位体积内的质量。
密度的大小直接影响了材料的重量和强度。
通常情况下，密度较小的材料更适合用于要求轻量化设计的结构。
2. 热导率材料的热导率是指材料传导热量的能力。
热导率高的材料在传热和散热方面表现更佳。
3. 电导率材料的电导率是指材料传导电流的能力。
电导率高的材料通常用于导电材料和电子器件的制造。
4. 磁性材料的磁性是指材料在外磁场作用下的磁导能力。
金属材料的力学性能-疲劳强度
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。
材料力学性能教学课件材料的疲劳
疲劳曲线
疲劳曲线是描述材料在循环载荷作用下的疲劳寿命与应力幅的关系曲 线
疲劳曲线的形状取决于材料的疲劳性能和载荷条件
疲劳曲线可以分为线性疲劳曲线和非线性疲劳曲线
疲劳曲线的斜率反映了材料的疲劳寿命与应力幅的关系，斜率越大， 疲劳寿命越长
疲劳强度
疲劳强度是指材 料在循环载荷作 用下抵抗破坏的 能力
疲劳强度与材料 的力学性能、微 观结构、环境因 素等有关
采用强化处理技术
热处理：通过加 热和冷却，改变 材料的微观结构， 提高其强度和韧 性
表面处理：如喷 丸、喷砂等，提 高表面硬度和耐 磨性
复合材料：将两 种或多种材料结 合，提高材料的 综合性能
形状优化：通过 改变材料的形状 和尺寸，提高其 抗疲劳性能
降低应力集中与尺寸效应的影响
优化设计：通过优化设计降低应力集中，如采用圆角、倒角等设计 材料选择：选择具有良好抗疲劳性能的材料，如高强度钢、铝合金等 热处理：通过热处理提高材料的抗疲劳性能，如淬火、回火等 表面处理：通过表面处理提高材料的抗疲劳性能，如喷丸、滚压等
疲劳数据处理：通过分析疲劳试验数据来评估材料的疲劳 性能
疲劳数据的处理与分析
数据采集：通过疲劳试验获取数据
数据可视化：使用图表展示分析结果， 如折线图、柱状图等
数据预处理：去除异常值、填补缺失 值等
结果解释：根据分析结果，解释材料 的疲劳性能和失效原因
数据分析：使用统计方法分析数据，如 方差分析、回归分析等
07
疲劳试验与数据处理
疲劳试验的种类与方法
静态疲劳试验：通过施加恒定载荷来测试材料的疲劳性能
动态疲劳试验：通过施加周期性载荷来测试材料的疲劳性 能
疲劳寿命试验：通过测试材料的疲劳寿命来评估其疲劳性 能
聚合物基复合材料的疲劳性能研究
聚合物基复合材料的疲劳性能研究在现代工程领域中，聚合物基复合材料因其优异的性能而备受关注。
这些材料在航空航天、汽车、船舶、体育用品等众多行业中得到了广泛应用。
然而，要确保这些材料在长期使用中的可靠性和安全性，对其疲劳性能的深入研究至关重要。
疲劳是指材料在循环载荷作用下，经过一定次数的循环后，发生局部永久性结构变化，从而产生裂纹并逐渐扩展，最终导致材料失效的现象。
对于聚合物基复合材料而言，其疲劳性能受到多种因素的影响。
首先，复合材料的组分特性对疲劳性能有着显著的影响。
聚合物基体的性质，如分子量、交联度、结晶度等，会直接影响材料的韧性和强度，进而影响其抵抗疲劳破坏的能力。
增强纤维的种类、长度、直径、分布以及与基体的界面结合强度等，也在很大程度上决定了复合材料的疲劳性能。
例如，碳纤维具有高强度和高模量，能显著提高复合材料的疲劳强度；而玻璃纤维相对来说强度和模量较低，对疲劳性能的提升效果不如碳纤维显著。
此外，纤维与基体之间的界面结合强度若不够理想，在循环载荷作用下容易发生脱粘，从而加速疲劳裂纹的萌生和扩展。
其次，制造工艺对聚合物基复合材料的疲劳性能也有不可忽视的影响。
不同的成型方法，如手糊成型、喷射成型、模压成型、缠绕成型等，会导致复合材料内部的孔隙率、纤维分布均匀性等存在差异。
孔隙的存在会成为应力集中点，降低材料的疲劳寿命；而纤维分布不均匀则会导致局部强度薄弱，容易引发疲劳裂纹。
因此，优化制造工艺，减少内部缺陷，提高纤维分布的均匀性，对于改善复合材料的疲劳性能具有重要意义。
载荷条件同样是影响聚合物基复合材料疲劳性能的关键因素。
循环载荷的频率、幅值、波形以及加载方式等都会对疲劳寿命产生影响。
一般来说，高频率的循环载荷会使材料内部的热量积聚加快，加速材料的老化和损伤，从而降低疲劳寿命；而较大的载荷幅值则会使材料在较短的循环次数内就达到疲劳极限。
此外，拉伸压缩循环载荷相较于单纯的拉伸或压缩载荷，对材料的损伤更为严重，因为在拉伸压缩转换过程中，材料内部会产生更大的应力变化。
疲劳强度资料
疲劳强度
疲劳强度是指材料在受到交变应力作用下所能承受的最大应力水平，是材料抗
疲劳性能的一个重要指标。
在工程实践中，疲劳强度的评定对于保证结构的可靠性和安全性至关重要。
疲劳的危害
疲劳是一种特殊的损伤形式，其分裂起点往往位于材料的内部缺陷或表面微小
裂纹的周围。
当材料受到交变应力作用时，这些缺陷和裂纹会逐渐扩展，导致材料的逐渐衰减和最终破坏。
这种疲劳损伤通常是隐蔽的、逐渐的，却又具有极其危险的特点。
影响疲劳强度的因素
疲劳强度受多种因素影响，其中最主要的包括材料的性能、应力水平、循环次数、环境条件等。
不同材料的疲劳强度差异很大，通常需要通过实验和试验来确定具体数值。
另外，应力水平和循环次数也是影响疲劳强度的重要因素，较高的应力水平和更多的循环次数会显著降低材料的疲劳寿命。
提高疲劳强度的方法
为了提高材料的疲劳强度，可以采取一系列措施。
首先是改善材料的内在质量，减少表面缺陷和微裂纹的存在，以增加材料的抗疲劳性能。
其次是通过热处理、表面强化等工艺手段来改善材料的性能，提高疲劳强度。
此外，设计合理的结构和避免应力集中也是提高疲劳强度的有效途径。
结语
疲劳强度作为材料性能的重要指标之一，对于保证结构的安全性具有重要意义。
正确评定疲劳强度，合理设计结构，提高材料性能，可以有效延长材料的使用寿命，保证结构的可靠性和安全性。
钢材的基本性能和指标
4 钢材疲劳现象
各种应力循环下的应力比、应力幅
4 钢材疲劳现象
疲劳强度
钢材在一定次数N的反复荷载作用下发生疲劳破坏，则破 坏应力即为相应于荷载次数N的疲劳强度。
疲劳寿命
相应的上述的反复次数N则被称为疲劳寿命。
疲劳极限
循环无穷次而不破坏的应力上限称为疲劳极限。
4 钢材疲劳现象
疲劳计算（常幅）
与N的关系
7 钢材的品种与规格 （4）规格 钢板 ： 圆钢： 等边角钢： 不等边角钢： 槽钢： 工字钢： 钢管： H型钢： 焊接工字钢:
7 钢材的品种与规格 （4）规格 钢板 ： 圆钢： 等边角钢： 不等边角钢： 槽钢： 工字钢： 钢管： H型钢： 焊接工字钢:
7 钢材的品种与规格 （4）规格 钢板 ： 圆钢： 等边角钢： 不等边角钢： 槽钢： 工字钢： 钢管： H型钢： 焊接工字钢:
7 钢材的品种与规格 （4）规格 钢板 ： 圆钢： 等边角钢： 不等边角钢： 槽钢： 工字钢： 钢管： H型钢： 焊接工字钢:
7 钢材的品种与规格 （4）规格 钢板 ： 圆钢： 等边角钢： 不等边角钢： 槽钢： 工字钢： 钢管： H型钢： 焊接工字钢:
7 钢材的品种与规格 （4）规格 钢板 ： 圆钢： 等边角钢： 不等边角钢： 槽钢： 工字钢： 钢管： H型钢： 焊接工字钢：
6 钢材的塑性破坏和脆性破坏
对比内容 破坏应力 破坏前变 形 断口外形 断口色泽 断口细部 破坏过程 破坏机理 危害性 对策 塑性破坏
引起脆性破坏的原因
脆性破坏
fu
明显
杯形 暗淡 纤维状 延续较长时间 剪应力超过晶粒抗剪能 力 便于发现和补救，较轻 合理设计结构强度
fy
不明显 平直 有光泽 晶粒状 突然 拉应力超过晶粒抗拉能力 大 考虑疲劳和冲击作用，合理选择材料 种类、构造形式、施工工艺
建筑结构的疲劳性能分析与评估
建筑结构的疲劳性能分析与评估1. 引言建筑结构的疲劳性能是指在长时间的使用过程中，由于循环荷载的作用，结构材料会发生应力累积并最终导致破坏的特性。
疲劳破坏不仅对建筑结构的安全性和可靠性造成威胁，也直接关系到建筑的使用寿命和维护成本。
因此，对建筑结构的疲劳性能进行准确的分析与评估具有重要意义。
2. 疲劳破坏的机理疲劳破坏是由于结构在受到循环荷载作用下的应力集中和应力累积，导致材料内部的微小裂纹逐渐扩展并最终达到破坏的过程。
疲劳破坏机理主要包括应力集中、应力历程和材料的疲劳强度三个方面。
在结构设计与使用过程中，需要考虑荷载的频率、幅值和持续时间，以及材料的疲劳寿命和疲劳极限等参数。
3. 疲劳性能的分析方法为了准确评估建筑结构的疲劳性能，需要进行一系列的分析与测试。
常用的方法包括有限元分析、振动台试验和实际结构监测等。
有限元分析可以通过建立结构模型，模拟实际荷载作用下的结构应力响应，来预测结构的疲劳寿命和疲劳极限。
振动台试验则是通过模拟实际荷载的振动载荷，对结构进行加速疲劳试验，获取其疲劳性能数据。
实际结构监测可以通过安装传感器监测结构的应力和振动情况，对结构的疲劳性能进行实时评估。
4. 疲劳性能评估指标常用的疲劳性能评估指标主要包括疲劳寿命和疲劳极限两个方面。
疲劳寿命是指结构在一定荷载循环次数下不发生疲劳破坏的能力，可以通过疲劳试验和数值模拟等方法进行评估。
疲劳极限是指结构能够承受的最大荷载循环次数，超过该次数将引起疲劳破坏，常用的评估方法包括应力幅分析和应力循环计数等。
5. 影响疲劳性能的因素影响建筑结构疲劳性能的因素非常复杂，包括荷载特性、结构尺寸和形状、材料性能和制造工艺等。
荷载特性包括荷载频率、幅值和持续时间等参数，不同的荷载特性将导致不同的应力集中和应力历程，从而影响结构的疲劳寿命和疲劳极限。
结构尺寸和形状对疲劳性能也有重要影响，尺寸较大的结构往往具有较长的寿命。
材料的性能和制造工艺对疲劳性能同样起着重要作用，优质的材料和精细的制造工艺可以提高结构的疲劳寿命和疲劳极限。
材料的性能
材料的性能1．力学性能材料在一定温度条件和外力作用下，抵抗变形和断裂的能力称为材料的力学性能。
压力容器用材料的常规力学性能指标主要包括强度、硬度、塑性和韧性等。
(1)强度是指金属材料在外力作用下对变形或断裂的抗力。
强度指标是设计中决定许用应力的重要依据，是材料抵抗外力作用能力的标志。
常用的强度指标有屈服强度σs或σ0．2和抗拉强度σb，高温下工作时，还要考虑蠕变极限σn和持久强度σD，设计中许用应力都是根据这些数值决定的。
另外，材料的屈强比(σs／σb)也是反映材料承载能力的一个指标，不同材料具有不同的屈强比，即使是同一种材料，其屈强比也随着材料热处理情况及工作温度的不同而有所变化。
(2)塑性是指金属材料在断裂前发生塑性变形的能力。
塑性指标主要有伸长率δ、断面收缩率φ、冲击韧性ak等。
用塑性好的材料制造容器，可以缓和局部应力的不良影响，有利于压力加工，不易产生脆性断裂，对缺口、伤痕不敏感，并且在发生爆炸时不易产生碎片。
作为化工容器用的钢，要求伸长率δ不低于14％，冲击韧性ak在使用温度下不低于35J／cm2。
(3)韧性是指金属材料抵抗冲击负荷的能力。
韧性常用冲击功Ak和冲击韧性值ak 表示。
Ak值或ak值除反映材料的抗冲击性能外，还对材料的一些缺陷很敏感，能灵敏地反映出材料品质、宏观缺陷和显微组织方面的微小变化。
而且Ak对材料的脆性转化情况十分敏感，低温冲击试验能检验钢的冷脆性。
表示材料韧性的一个新的指标是断裂韧性，它是反映材料对裂纹扩展的抵抗能力。
(4)硬度是衡量材料软硬程度的一个性能指标。
硬度试验的方法较多，原理也不相同，测得的硬度值和含义也不完全一样。
最常用的是静负荷压入法硬度试验，即布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HRA，HRB，HRC)、维氏硬度(HV)，其值表示材料表面抵抗坚硬物体压入的能力。
而肖氏硬度(HS)则属于回跳法硬度试验，其值代表金属弹性变形功的大小。
因此，硬度不是一个单纯的物理量，而是反映材料的弹性、塑性、强度和韧性等的一种综合性能指标。
复合材料的热稳定性与疲劳性能
复合材料的热稳定性与疲劳性能复合材料在现代工业和日常生活中的应用越来越广泛啦，从航空航天领域到咱们日常用的一些小物件，都能看到它的身影。
今天咱们就来好好聊聊复合材料的热稳定性与疲劳性能，这可关系到好多实际的问题呢！先来说说热稳定性。
你知道吗，有一回我去一个工厂参观，看到工人们正在加工一种新型的复合材料零件。
当时那个车间里温度挺高的，我就好奇这材料能不能扛得住。
结果发现，这复合材料在高温环境下，表现还真不错，尺寸几乎没怎么变化，性能也没受到太大影响。
这让我深刻感受到了复合材料热稳定性的重要性。
咱们想想啊，如果一种复合材料的热稳定性不好，那在高温环境下，它可能就会变形、失效，甚至引发严重的事故。
比如说，汽车发动机里的一些零部件，如果用的复合材料热稳定性差，那在发动机长时间运转产生高温的时候，这些零件就可能出问题，影响汽车的性能和安全。
再讲讲疲劳性能。
这就好比我们人，长时间工作会感到疲劳，复合材料也是一样的。
我曾经看到过一个测试，就是对一种用于桥梁建设的复合材料进行反复的加载和卸载。
刚开始的时候，这材料还能轻松应对，没啥大问题。
但是随着次数的增加，慢慢地就出现了一些细微的损伤。
这就提醒我们，在使用复合材料的时候，得充分考虑它的疲劳性能。
要是用在一些需要长期承受反复载荷的地方，比如飞机的机翼、风力发电机的叶片，如果疲劳性能不过关，那可就麻烦大了。
说不定哪天就突然出现裂缝，造成严重的后果。
那怎么提高复合材料的热稳定性和疲劳性能呢？这可需要从材料的设计、制造工艺等多个方面入手。
比如说，在选择原材料的时候，要精心挑选那些热稳定性好、抗疲劳的纤维和树脂。
在制造过程中，控制好加工温度、压力等参数，让材料的结构更加均匀、致密。
而且啊，现在的科研人员也在不断努力，开发新的复合材料和改进现有的材料性能。
我相信，未来我们会看到更多性能优越的复合材料，为我们的生活带来更多的便利和安全。
总之，复合材料的热稳定性和疲劳性能可不是小问题，它们关系到各种产品的质量和可靠性。
机械工程材料材料性能
机械工程材料材料性能概述机械工程材料是用于制造机械零件和设备的材料。
材料性能是评估材料适用性的重要指标。
本文将介绍机械工程材料的材料性能，并深入讨论材料性能的几个关键方面。
强度和硬度强度是机械工程材料的一个重要性能指标，它表示材料抵抗外力的能力。
强度通常通过材料的屈服强度、抗拉强度和抗压强度来衡量。
屈服强度是材料在受力过程中开始发生可观变形的应力值，抗拉强度是材料在拉伸力下能承受的最大应力值，而抗压强度则是材料在受压力下能承受的最大应力值。
硬度是材料抵抗表面划伤或穿透的能力。
硬度测量可以使用各种硬度测试方法，例如洛氏硬度测试、布氏硬度测试和维氏硬度测试。
机械工程材料的强度和硬度取决于它们的化学成分、晶体结构和加工工艺。
通常情况下，高碳钢和合金钢具有较高的强度和硬度，而铝合金和镁合金则具有较低的强度和硬度。
韧性和脆性韧性是材料抵抗断裂的能力，也是衡量材料耐冲击性、耐疲劳性和耐剪切性的重要指标。
韧性较高的材料能够吸收大量的能量才发生破坏，而韧性较低的材料则容易发生断裂。
脆性是材料容易发生断裂的性质。
脆性材料在受到应力时会发生迅速且不可逆转的断裂，而韧性材料则会在受到应力时发生局部变形，使材料产生可逆的形变。
韧性和脆性之间有一个材料特性称为冷脆性。
冷脆性是指材料在低温下变得更加脆性的能力。
某些材料在低温下会变得非常脆弱，容易发生断裂。
疲劳性疲劳性是指材料在交替或反复加载下产生破坏的能力。
疲劳破坏是机械工程材料最常见的失效方式之一。
当材料受到交替或反复加载时，它会累积微小的应力和变形，最终导致疲劳破坏。
疲劳性能包括疲劳寿命和疲劳极限。
疲劳寿命是指材料承受一定载荷下的循环加载次数，达到失效的循环次数。
疲劳极限是指材料在无限次循环加载下能承受的最大应力水平。
机械工程材料的疲劳性能和寿命可以通过疲劳试验来评估和预测。
疲劳试验通常会在不同应力水平下进行，以确定材料的疲劳曲线和SN曲线。
耐腐蚀性耐腐蚀性是机械工程材料抵抗化学物质和环境侵蚀的能力。
材料的力学性能
材料的力学性能材料的力学性能是指材料在外力作用下的力学行为和性能表现。
力学性能是材料工程中非常重要的一个指标，它直接关系到材料的使用寿命、安全性和可靠性。
材料的力学性能主要包括强度、韧性、硬度、塑性、蠕变等指标。
首先，强度是材料抵抗外力破坏的能力。
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抵抗断裂的能力，抗压强度是材料在受压状态下抵抗破坏的能力，抗弯强度是材料在受弯曲状态下抵抗破坏的能力。
强度指标直接反映了材料的抗破坏能力，是衡量材料力学性能的重要参数。
其次，韧性是材料抵抗断裂的能力。
韧性是指材料在受外力作用下能够吸收大量的变形能量而不断裂的能力。
韧性好的材料具有良好的抗冲击性能和抗疲劳性能，能够在外力作用下保持良好的形状和结构完整性。
再次，硬度是材料抵抗划痕和穿刺的能力。
硬度是材料抵抗外界硬物划破或穿透的能力，是材料抵抗局部破坏的重要指标。
硬度高的材料通常具有较好的耐磨性和耐磨损性能，能够在恶劣环境下保持较长时间的使用寿命。
此外，塑性是材料在受力作用下发生形变的能力。
塑性好的材料能够在外力作用下产生较大的变形，具有良好的加工性能和成形性能。
材料的塑性直接影响到材料的加工工艺和成型工艺，是材料加工和成形的重要指标。
最后，蠕变是材料在长期受力作用下发生变形和破坏的现象。
蠕变是材料在高温、高压、长期受力作用下产生的一种渐进性变形和破坏，是材料在高温高应力环境下的重要性能指标。
综上所述，材料的力学性能是衡量材料质量和可靠性的重要指标，强度、韧性、硬度、塑性和蠕变是材料力学性能的重要方面。
在材料设计、选材和工程应用中，需要充分考虑材料的力学性能，选择合适的材料以满足工程需求。
同时，通过合理的材料处理和改性，可以改善材料的力学性能，提高材料的使用寿命和安全可靠性。
金属材料疲劳性能研究
金属材料疲劳性能研究1.前言金属材料是现代工业生产和生活中不可缺少的材料之一。
然而，金属材料在使用中常常会出现疲劳现象，极大地限制了金属材料的使用寿命和性能。
因此，深入研究金属材料疲劳性能，探究其机理，对于提高材料的使用寿命和性能具有重要意义。
本文将从金属材料疲劳性能的概念入手，介绍金属材料疲劳性能的研究现状及发展趋势。
2.金属材料疲劳性能概念疲劳是指在一定的应力循环条件下，材料在经过一定循环次数后会发生损伤和破坏。
金属材料在使用中受到很多复杂的力学作用，如弯曲、扭转、拉伸等。
在这些作用下，金属材料将会经历许多应力的循环变化。
这些循环变化将会导致金属材料内部发生微观结构的变化，最终导致材料的疲劳失效。
3.金属材料疲劳性能研究现状现代金属材料疲劳性能研究已经非常成熟。
在理论上，人们已经通过微观结构的分析和数值模拟等手段深入探究了金属材料在应力循环下的微观行为和断裂过程。
在实验上，人们也开发出了各种先进的试验设备和技术，能够对金属材料的疲劳性能进行更为精确和全面的试验分析。
3.1 理论研究在理论方面，人们通过计算机模拟、分子动力学等手段，对金属材料疲劳行为进行了深入研究。
以分子动力学模拟为例，人们可以通过计算得到金属材料在应力变化下的组织变化和位错的运动规律。
这些研究成果为金属疲劳性能研究提供了重要的理论依据。
3.2 实验研究在实验方面，人们开发出了各种独特的实验技术，能够用于更加精确的疲劳试验。
例如，人们可以利用电子显微镜观察金属材料的微观结构和变化。
同时，人们还可以利用红外热成像技术，观测金属材料的温度变化情况，进一步分析其疲劳行为。
4. 发展趋势随着现代科技的不断发展，金属材料的疲劳性能研究也将不断发展壮大。
特别是在数值模拟、成像技术等方面的不断提高，有望为金属材料疲劳性能的研究提供更强有力的支撑和帮助。
另外，随着3D打印、纳米材料等新型金属材料的发展应用，对其疲劳性能的研究也必将面临更大的挑战和机遇。
长沙理工大学机械设计期末考试题库含答案
长沙理工大学机械设计期末考试题库含答案机械设计试卷3一 选择填空题 （每空一分共20分）1在常用的螺纹连接中，自锁性能最好的螺纹是 普通螺纹 ，其牙型角60α= 。
2普通平键连接工作时，平键的工作面是 侧面，平键的剖面尺寸b h ⨯按 轴径 从标准中查取。
平键连接主要失效形式是 压溃 。
3带传动中，若1υ为主动轮圆周速度，2υ为从动轮圆周速度，υ为带速，则这些速度之间存在的关系是 12υυυ>> 。
4 V 带传动中，V 带截面楔角40ϕ= ，则V 带轮的轮槽角φ0应 < 40 。
5在设计V 带传动时，V 带的型号可根据 计算功率 和 小带轮转速 查选型图确定。
6对于一对材料相同的钢制软齿面齿轮传动，为使大小齿轮接近等强度，常用的热处理方法是小齿轮 调质 ，大齿轮 正火 。
7根据轴的承载情况，自行车的前轴承受弯矩作用应称为 心 轴。
中间轴应称为 转 轴。
8代号为6206的滚动轴承，其类型是 深沟球轴承，内径d= 30 mm 。
9温度和压力是影响粘度的主要因素，若温度升高，则 粘度降低（或减少） ，若压力升高，则 粘度增加（或变大）。
10 在下列联轴器中，能补偿两轴的相对位移以及可缓冲吸振的是 D 。
A 凸缘联轴器B 齿式联轴器C 万向联轴器D 弹性柱销轴器11在蜗杆传动中，规定蜗杆分度圆直径的目的是 减少蜗轮滚刀的数量，利于刀具标准化。
12普通平键连接工作时，平键的工作面是 侧面。
二 简答题(共5题，每题6分)1 简述齿轮传动的失效形式和开式齿轮传动的设计准则答：失效形式包括：轮齿折断（1分）、齿面疲劳点蚀（1分）、齿面磨损（1分）、齿面胶合（1分）、轮齿塑性变形（1分）。
开式齿轮传动的设计准则：按齿根弯曲疲劳强度进行设计，然后考虑磨损的影响将模数适当加大。
（1分）2 以框图形式说明转轴的设计过程。
3简述蜗杆传动的正确啮合条件。
答：中间平面上，蜗杆轴向模数与蜗轮端面模数相等，均为标准值（2分）；蜗杆轴面压力角与蜗轮端面压力角相等，且为标准值（2分）；蜗杆与蜗轮轮齿的螺旋线方向相同并且蜗杆分度圆柱上的导程角等与蜗轮分度圆柱上的螺旋角。
材料的使用性能
第一篇 材料的性能及应用意义
第一章 材料的使用性能
第一节 第二节 第三节 力学性能 物理性能 化学性能
工程材料原理
金属材料的性能 金属材料的性能主要包含工艺性能和使 用性能两方面。 使用性能：金属材料在使用条件下所表现出 来的性能；包括力学性能、物理和化学性能 工艺性能：制造工艺过程中材料适应加工的 性能；如铸造性能，锻造性能等。
零件表面状况、载荷类型、工作温度和腐蚀介质等。
工程材料原理
八. 耐磨性
磨损：由两零件因摩擦而引起的表面材料逐渐损伤 （表现为表面尺寸变化和物质损耗）的现象即叫做磨 损。主要有粘着磨损、磨粒磨损和接触疲劳磨损。
1. 磨损的主要类型与机理： （1）粘着磨损：在摩擦副接触面上局部发生金属粘着，而 这些粘着点的强度往往大于金属本身强度，在随后的相对 运动时，发生的破坏将出现在强度较低的地方，有金属磨 屑从零件表面被拉下来或零件表面被擦伤的磨损形式。 （2）磨粒磨损：滑动摩擦时，零件表面摩擦区内存在硬质磨 粒使磨面发生局部塑性变形、磨料嵌入和被磨料切割等过程， 以致材料磨面逐步损耗。
工程材料原理
七. 疲劳性能
1. 疲劳的基本概念：
（1）交变载荷： 大小、方向均随时间作 周期性的循环变化，又称循环载荷。 （2）疲劳断裂：零件在交变载荷下，虽然零件所承受的应力 低于材料的屈服点，但经较长时间的工作而产生裂纹或突然发 生完全断裂的过程。 （3）特点： 1）断裂时的应力远低于材料静载下的抗拉强度，甚至低于屈 服强度； 2）无论是韧性材料还是脆性材料断裂时均无明显的塑性变形， 是一种无预兆的、突然发生的脆性断裂，危险性极大。
③ 优点：操作迅速简 便，压痕小，不损伤工 件表面，应用广。
工程材料原理
《材料性能学》课程教学大纲
《材料性能学》课程教学大纲一、《材料性能学》课程说明（一）课程代码：（二）课程英文名称：Introductions of Materials Properties（三）开课对象：材料物理专业（四）课程性质：《材料性能学》属于材料科学与工程一级学科主干专业课（五）教学目的：使学生掌握材料各种主要性能的基本概念物理本质化学变化律以及性能指标的工程意义，了解影响材料性能的主要因素及材料性能与其化学成分，组织结构之间的关系，基本掌握提高材料性能的主要途径。
（六）教学内容：本课程包括金属材料力学性能，金属物理性能分析，无机材料无论性能，高分子材料力学材料性能、材料的腐蚀与老化、性能指标的工程意义、指标的测试与评价及应用为主线贯穿始终，让学生对材料性能知识有一个完整的了解，以便达到举一反三、触类旁通的效果。
（七）教学时数:学时数：72 学时分数： 4 学分（八）教学方式:以粉笔、黑板为主要形式的课堂教学（九）考核方式和成绩记载说明考核方式为考试。
严格考核学生出勤情况达到学籍管理规定的旷课量取消考试资格，综合成绩根据平时成绩和期末成绩评定，平时成绩占40％，期末成绩占60％。
.二、讲授大纲与各章的基本要求第一章材料的单向静拉伸的力学性能教学要点：让学生了解材料在静载作用下的应力应变关系及常见的三种失败形式的特点和基本规律，这些性能指标的物理概念和工程意义，探讨提高材料性能指标的途径和方向1、使学生了解力—拉伸曲线和应力——应变曲线。
2 、使学生了解材料的弹性变形以及性能指标3、非理想弹性与内耗的概念4、非理想弹性的几种类型及工程应用5、掌握塑性变形的实质以及指标测方法6、了解断裂的机理教学时数： 8 学时教学内容：第一节力——伸长曲线和应力——应变曲线一、力——伸长曲线（低碳钢曲线，决定因素）二、应力——应变曲线中有实力与工程应力的关系式、曲线第二节弹性形变及其性能指标一、弹性形变本质二、弹性模数三、影响弹性模数的因素（键合方式和原子结构、晶体结构、化学成分、微观组织、温度、加载条件的负荷持续时间）四、比例极限与弹性极限五、弹性比功第三节非理想弹性与内耗一、滞弹性二、粘弹性三、伪弹性四、包申格效应五、内耗第四节塑性变形及其性能指标一、塑性变形机理（金属材料的塑性变形、陶瓷材料的塑性变形、高分子的塑性变形）二、屈服观象与屈服强度三、影响金属材料屈服强度的因素（晶体结构、晶界与亚结构、溶质元素、第二相、温度应变速率与应力状态）四、应变硬化（机理、指数、意义）五、抗拉强度与缩颈条件六、塑性与塑性指标七、超塑性第五节断裂一、断裂的类型及断口特征（韧性断裂与脆性断裂、穿晶断裂与沿晶断裂、洁切断裂与解理断裂、高分子材料的断裂、断口分析）二、裂纹形裂的位错模型（佤纳——斯特罗理论、断裂强度的裂纹理论）三、断裂强度四、真实断裂强度与静力韧度考核要求：1、力—伸长曲线和应力——应变曲线1.1力—伸长曲线（低碳钢曲线、决定因素）(识记)1.2应力—应变曲线中有实力与工程应力的关系式(识记)2、弹性形变及其性能指标2.1弹性形变本质（领会）2.2弹性模数(识记)2.3影响弹性模数的因素（键合方式和原子结构、晶体结构、化学成分、微观组织、温度、加载条件的负荷持续时间）（领会）2.4比例极限与弹性极限（领会）2.5弹性比功（领会）3、非理想弹性与内耗3.1滞弹性（领会）3.2粘弹性（领会）3.3伪弹性（领会）3.4包申格效应(识记)3.5内耗(识记)4、塑性变形及其性能指标4.1塑性变形机理(识记)4.2屈服观象与屈服强度（领会）4.3影响金属材料屈服强度的因素(识记)4.4应变硬化（领会）4.5抗拉强度与缩颈条件(识记)4.6塑性与塑性指标(识记)4.7超塑性(识记)第五节断裂5.1断裂的类型及断口特征(识记)5.2裂纹形裂的位错模型（领会）5.3断裂强度（领会）5.4真实断裂强度与静力韧度（领会）第二章材料在其他静载下的力学性能教学要点：让学生了解扭转、弯曲、压缩与带缺口试样的静拉伸以及材料硬度实验的方法、应用范围、力学性能指标。
材料的力学性能有哪些
材料的力学性能有哪些材料的力学性能是材料的重要性能之一，它可以从物理学和材料学的角度来考虑。
文章通过回顾、总结相关力学性能的概念，介绍材料的力学性能的分类，总结和讨论力学性能的影响因素，以及近年来力学性能的相关技术发展，旨在为大家深入了解材料的力学性能提供参考。
一、材料的力学性能1、定义力学性能是一种对材料造成外力作用时材料的变形和断裂特性的描述。
它是材料受外力作用时生成的变形、损耗、失效和断裂性能指标，也是评估材料性能的重要指标。
力学性能由材料强度、塑性性能、硬度、刚性、弹性、断裂性能等组成。
2、分类根据材料的力学性能的不同性质，可以将它分为静态性能和动态性能。
（1）静态性能是指材料在恒定力作用下的变形或断裂性能，具体又可以分为抗拉强度、抗压强度、弹性模量、抗剪强度、断裂硬度、抗蠕变强度、塑性变形率以及抗冲击性能等。
（2）动态性能是指材料在变化的力或频率作用下的变形或断裂性能。
常见的指标有拉伸强度、屈服强度、抗疲劳强度、抗韧性、低周疲劳极限等。
二、影响力学性能的因素1、组织结构材料的力学性能主要受材料的组织结构影响。
材料的组织结构包括材料的基体组织、细观结构以及表面处理等。
其中材料细观结构和表面处理是影响力学性能的重要因素，例如材料的细观结构可影响材料的力学强度、韧性和断裂等，表面处理可影响材料的磨损性、抗腐蚀性、耐腐蚀性等。
2、成分材料中含有的物质成分是影响力学性能的重要因素。
材料中物质成分的多少和含量对材料的力学性能具有重要影响，例如合金中添加的各种微量元素可以改善材料的力学性能，改进材料的强度、硬度、耐磨性和断裂强度等。
三、近年来力学性能技术发展1、改性技术近年来，科学家们采用改性技术，设计和合成新型纳米功能介质，从而改变材料的组织结构和相应的力学性能。
例如纳米丝增强的复合材料可以改变材料的组织结构，从而改善材料的抗拉强度、抗压强度、抗剪强度、抗蠕变强度、断裂硬度和抗冲击性能等。
2、复合技术复合技术也是改善材料力学性能的重要手段。
材料耐久性测试标准
材料耐久性测试标准随着科技的进步和工业的发展，材料的耐久性越来越受到重视。
在各个行业，材料的品质和耐久性成为产品成功的关键因素。
因此，制定一套详细且准确的材料耐久性测试标准就显得尤为重要。
本文将介绍一套适用于各行业的材料耐久性测试标准。
一、引言材料的耐久性是指材料在长时间使用或特定环境下的性能变化能力。
通过耐久性测试，可以评估材料的使用寿命、性能变化以及材料适应不同环境的能力。
本标准的目的在于为各行业提供一个统一和严格的材料耐久性测试标准，以确保产品和材料的质量和可靠性。
二、测试对象材料耐久性测试适用于各种材料，包括但不限于金属、塑料、橡胶、陶瓷、纺织品等。
测试对象将根据不同行业和产品的要求进行选择。
三、测试方法1. 外观检查：检查材料表面是否有损伤、褪色、变形等现象。
2. 力学性能测试：包括强度、硬度、断裂韧度等。
3. 化学性能测试：检测材料的耐酸碱性、腐蚀性、耐热性等。
4. 热膨胀系数测试：评估材料在温度变化时的尺寸变化。
5. 摩擦磨损测试：检测材料在摩擦和磨损条件下的耐久性。
6. 疲劳寿命测试：通过模拟实际使用条件下的循环加载，评估材料的疲劳寿命。
7. 耐候性测试：模拟材料在不同气候和环境下的耐久性表现。
8. 加速老化测试：通过提高温度、湿度和压力等条件，加速材料老化过程。
四、测试评估根据测试结果，对材料的性能进行评估。
评估标准可根据具体行业和产品的要求来制定。
一般包括合格、合格但需要改进和不合格三种评估结果。
五、结果说明测试结果应详细记录并进行结果分析。
根据测试结果，制定相应的改进措施，提高材料的耐久性和产品的品质。
测试结果应与产品设计和材料选择进行比较，以便对产品进行进一步的优化和改进。
六、测试报告测试报告应包括测试目的、方法、结果、评估和建议等内容。
报告应以简洁明了的方式呈现，同时提供详细的数据和图表支持。
七、质量控制测试过程中应严格按照标准操作，确保测试结果的可靠性和准确性。
对测试设备进行定期校准和维护，以确保测试的准确性和可重复性。
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（4）材料成分及组织的影响
合金成分：结构钢中碳的作用（间隙固溶 强化，第二相弥散强 化），提高疲劳强度； 夹杂物和缺陷降低疲劳强度；
显微组织：细化晶粒，提高疲劳强度；组 织不同，疲劳强度不同。
dN
（2）疲劳裂纹扩展门槛值
ΔKth是疲劳裂纹不扩展的 临界值，称为疲劳裂纹 扩展门槛值，表示材料阻止裂纹开始疲劳扩展的性能。
根据定义可以建立裂纹不疲劳断裂(无限寿命)的 校核公式：
∆K = Y∆σ a ≤ ∆Kth
若如已知裂纹件的裂纹尺寸 a 和材料的疲劳门槛 值 ΔKth ，即可求得该件无限疲劳寿命的承载能力：
环境介质：使材料表面产生微观腐蚀， 降低疲劳强度。
（2）表面状态和尺寸因素
表面状态：表面缺口导致应力集中，形成疲 劳源，引起疲劳断裂；
尺寸因素：尺寸增大，疲劳强度降低（尺寸 效应）。
（3）表面强化和残余应力
提高表面塑变抗力（强度和硬度），降低 表面拉应力，提高弯曲、扭转载荷下材料的 疲劳强度。
qf反映了疲劳过程中材料发生应力重分布 的能力，即降低应力集中的能力。
5、影响疲劳强度的因素
（1）工作条件
载荷条件 • 应力状态、平均应力； • 过载将降低疲劳强度和寿命； • 次载锻炼，可提高疲劳强度； • 间歇效应，对应变时效材料，可提高疲劳强度。
环境温度：温度↑，疲劳强度↓；温度↓， 疲劳强度↑
7-4 疲劳抗力指标
材料的疲劳抗力指标包括疲劳极限、疲 劳裂纹扩展门槛值、过载持久值和疲劳缺口 敏感度等。
1、疲劳极限（强度）
德国人Wohler（维勒）针对火车车轴疲劳进行 研究，得到了循环应力（S）与疲劳循环寿命（N） 之间的关系，称为疲劳曲线（S-N曲线）。
• 疲劳极限（σr）：当应 力低到某值时，材料或 构件承受无限多次应力 循环或应变循环而不发 生断裂的应力值。
强度和疲劳极限的关系
一般可以根据材料的静强度估算疲劳极限。 存在关系：抗拉强度↑，疲劳极限↑。
对结构钢： σ-1P =0.23（σs+ σb）； σ-1 =0.27（σs + σb）
对铸铁： σ-1P =0.4 σb ；
σ-1 =0.45σb
对铝合金： σ-1P =0.17 σb +7.5； σ-1 =0.17 σb -7.5
• 过载损伤界越陡直，
损伤区越窄，其抵
抗疲劳过载的能力 σ-1 越强。
σmax
过载损伤界 过载损伤区 过载持久值线
lgN0
lgN
工业上需要考虑过载损伤区！
4、疲劳缺口敏感度
• 材料在变动应力作用下的缺口敏感性，常用 疲劳缺口敏感度qf表征，即
qf
=
Kf Kt
−1 −1
式中：Kt为理论应力集中系数; Kf为有效应力集中系数。
可能产生影响——过载损伤！
• 材料在某一过载应力水平下，只有运行一定周次后， 疲劳强度或疲劳寿命才会降低，造成过载损伤。
• 把在每个过载应力 下运行能引起损伤 的最少循环周次连 接起来就得到该材 σ-1 料的过载损伤界。
σmax
过载损伤界 过载损伤区 过载持久值线
lgN0
lgN
• 过载应力-周次组合一旦落入此区，则会产生过载 损伤，造成材料疲劳极限降低或疲劳寿命降低。
对青铜：
σ-1 =0.21 σb
疲劳极限与材料强度近似成正比，所以合金化、
细化晶粒和
2、疲劳裂纹扩展门槛值
（1）疲劳裂纹扩展速率曲线
Ⅰ区是疲劳裂纹初始
扩展阶段，
da dN
很小。
Ⅱ区是疲劳裂纹扩展 主要阶段，ddNa 较大。 Ⅲ区是疲劳裂纹扩展 最后阶段，da 很大。
疲劳极限是保证机件疲劳寿命的重要性能指标。
完整S-N曲线
准静态断裂（AB段）：
σmax σ
AB C
A端应力接近于抗拉强度， b
循环寿命很短(<10)，准
静态断裂。
有限疲 劳寿命
D
N
无限疲 劳寿命
低周疲劳（BC段）：随着循环次数的增加，使材料
发生疲劳破坏的最大应力不断下降。
高周疲劳（CD段）： 循环应力较低的CD段寿命 较长，称高周疲劳。大多 数通用机械零件及专用零 件的失效都是由高周疲劳 引起的。
Kf
= σ −1 σ −1N
Kf ＞ 1 ，与缺口几何形状和材 料因素有关。
Kf为光滑试样和缺口试样疲劳强度之比
Kf = Kt时，没有发生应力重新分布，qf =1， 材料对缺口十分敏感。
当Kf =1时，σ-1=σ-1N，说明疲劳过程中应力 产生了很大的重新分布，应力集中完全消除， 材料对疲劳缺口完全不敏感。
因此，需要研究材料过载下的疲劳寿命。
（1）过载持久值
• 材料在高于疲劳强度的一定应力下工作，发生疲 劳断裂的应力循环周次称为材料的过载持久值，又 称为有限疲劳寿命。 特点：过载持久值由疲劳 曲线倾斜部分确定，曲线 倾斜得越陡直，持久值越 高，材料对过载荷的抗力 越高。
（2）过载损伤界
实际上，机件往往预先受短期过载，而以后再在 正常的工作应力下运行。这种短期的过载对材料 的性能是否产生影响？
σmax σ
AB C
b
D
有限疲 劳寿命
N
无限疲 劳寿命
D点所对应的应力σD是材料的无限寿命疲劳极限，也 称为持久疲劳极限，用符号σ-1表示。
有些机械零件，例如一次性使用的火箭发动机的 某些零件、导弹壳体等，在整个使用寿命期间应力 变化次数只有几百到几千次，故其疲劳属于低周疲 劳。但对绝大多数通用零件来说，当其承受变应力 作用时，其应力循环次数总是大于105的。所以大部 分是高周疲劳。
∆σ ≤ ∆Kth
Ya
若已知裂纹件的工作载荷Δσ和材料的疲劳门槛值 ΔKth ，即可求得裂纹的允许尺寸：
a < ( ) 1 ∆Kth 2 Y 2 ∆σ
3、疲劳过载
实际服役过程中机件在高于疲劳极限的应 力状态下偶尔短时过载。
• 例如：汽车的紧急刹车、突然起动。
不要求无限寿命设计。 • 例如：飞机的起落架。