03-金属材料疲劳性能及其描述
材料疲劳性能
一、 交变载荷及其描述
1、概念：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.
交变应 力是单位面
积上的平均 载荷.
1
一、 交变载荷及其描述
2
一、 交变载荷及其描述
3
一、 交变载荷及其描述
2、交变载荷的描述方法 （1）最大循环应力 σmax 最小循环应力 σmin （2）平均应力 σm＝（σmax＋σmin）/2 （3）应力半幅 σa＝（σmax－σmin）/2 （4）应力循环比 r＝σmin/σmax A对称循环: σm =0 ,r＝－1 B不对称循环: σm ≠ 0 ,－1＜r＜1; σa >
两种定义: A.按循环次数 B.到破坏所需
的时间
（2）疲劳曲线（S-N曲线）
A.底循环疲劳区：高应力,明显塑变,应力 超出弹性极限,循环次数低于105
B.高循环疲劳区：低应力,无明显塑变,应力 未超出弹性极限, 循环次数高于105
C.无限寿命区（安全区）:应力低于材料的 疲劳强度.
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二、疲劳破坏的概念和特点
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一、疲劳曲线 1、 疲劳曲线
在交变载荷下，金属所承受的最大交变应 力（σmax或S）与断裂循环周次（N）之间的关 系曲线称为疲劳曲线，如下图所示。
3．疲劳破坏的特点
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：
（1）该破坏是一种潜藏的突发性破坏
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．
（2） 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
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。
金属材料的疲劳性能
金属材料的疲劳性能金属材料是工程领域中常用的材料之一，其疲劳性能对于材料的可靠性和使用寿命具有重要影响。
疲劳是指在受到交变应力作用下，材料在一定应力水平下发生疲劳破坏的现象。
了解金属材料的疲劳性能，对于设计合理的工程结构和延长材料使用寿命具有重要意义。
本文将从疲劳破坏的基本概念、影响疲劳性能的因素以及提高金属材料疲劳性能的方法等方面进行探讨。
一、疲劳破坏的基本概念疲劳破坏是指在受到交变应力作用下，材料在应力水平远低于其静态强度的情况下发生破坏的现象。
疲劳破坏具有突发性、随机性和不可逆性的特点，是一种典型的疲劳失效形式。
在实际工程中，很多零部件的失效都是由于疲劳破坏引起的，因此疲劳性能的研究对于提高工程结构的可靠性至关重要。
二、影响疲劳性能的因素1. 应力水平：应力水平是影响金属材料疲劳性能的重要因素之一。
通常情况下，应力水平越高，材料的疲劳寿命就越短。
因此，在设计工程结构时，需要合理控制应力水平，避免超过材料的承受范围。
2. 循环次数：循环次数也是影响疲劳性能的重要因素。
循环次数越多，材料的疲劳寿命就越短。
因此，在实际工程中，需要对工件的使用情况进行合理评估，避免因为频繁的应力循环导致疲劳破坏。
3. 材料的性能：材料的组织结构、化学成分、热处理工艺等都会影响其疲劳性能。
一般来说，晶粒细小、组织均匀的材料具有较好的疲劳性能。
此外，合理的热处理工艺也能够提高材料的抗疲劳能力。
4. 环境因素：环境因素如温度、湿度等也会对金属材料的疲劳性能产生影响。
高温、潮湿的环境会加剧材料的疲劳破坏，因此在实际工程中需要考虑环境因素对材料性能的影响。
三、提高金属材料疲劳性能的方法1. 合理设计：在工程结构设计阶段，需要合理选择材料、设计结构，避免应力集中和过大的应力水平，从而提高材料的疲劳寿命。
2. 表面处理：通过表面处理如喷丸、镀层等方式，可以提高材料的表面硬度和耐疲劳性能，延长材料的使用寿命。
3. 热处理工艺：合理的热处理工艺可以改善材料的组织结构，提高其抗疲劳能力，从而延长材料的疲劳寿命。
金属材料疲劳
金属材料疲劳金属材料疲劳是指金属在受到循环应力作用下，随着时间的推移逐渐产生裂纹并最终破坏的现象。
疲劳是金属材料的一种重要破坏形式，也是工程实践中不可忽视的问题。
本文将从金属材料疲劳的基本原理、影响因素以及预防措施等方面进行探讨。
首先，金属材料疲劳的基本原理是由于金属在受到交变应力作用下，其晶格结构发生变化，从而引起金属内部的微观损伤，最终导致裂纹的生成和扩展。
这种微观损伤主要包括位错的运动和集聚、晶界的滑移和变形等。
随着循环载荷的不断作用，这些微观损伤逐渐积累，最终导致金属材料的疲劳破坏。
其次，金属材料疲劳受到许多影响因素的制约。
首先是应力水平的大小，循环载荷的幅值越大，金属材料的疲劳寿命就越短。
其次是应力的频率，循环载荷的频率越高，金属材料的疲劳寿命也越短。
此外，温度、环境介质、金属材料的组织结构等因素也会对金属材料的疲劳性能产生重要影响。
为了预防金属材料的疲劳破坏，可以采取一系列的措施。
首先是对金属材料进行合理的设计，尽量避免应力集中和裂纹的敏感区域。
其次是对金属材料进行表面处理，提高其抗疲劳性能。
此外，可以采用合适的工艺控制和热处理手段，提高金属材料的抗疲劳性能。
另外，科学合理地进行应力分析和寿命预测，也是预防金属材料疲劳破坏的重要手段。
总之，金属材料疲劳是一种普遍存在的现象，对于工程实践具有重要的影响。
了解金属材料疲劳的基本原理和影响因素，采取有效的预防措施，对于延长金属材料的使用寿命，提高工程结构的安全性具有重要意义。
因此，我们应该加强对金属材料疲劳的研究和应用，不断提高金属材料的抗疲劳性能，为工程实践提供更加可靠的保障。
通过对金属材料疲劳的基本原理、影响因素和预防措施的探讨，我们可以更加深入地了解金属材料疲劳的本质，为工程实践提供更加可靠的保障。
希望本文能够对相关领域的研究和实践工作有所帮助，推动金属材料疲劳领域的进一步发展。
金属材料疲劳强度
金属材料疲劳强度引言：金属材料在使用过程中经常会受到变形和应力的作用，长期使用后容易出现疲劳现象。
疲劳强度是评估材料在疲劳加载下的抗疲劳性能的重要指标。
本文将介绍金属材料疲劳强度的概念、影响因素以及测试方法。
一、疲劳强度的概念疲劳强度是指材料在循环加载下承受的最大应力，也称为疲劳极限。
其单位为MPa或N/mm²。
疲劳强度是金属材料的重要性能指标之一，对材料的使用寿命和可靠性有着重要影响。
二、影响因素1. 材料的组织结构：晶体结构的排列方式、晶粒大小和晶界的形态对疲劳强度有着显著影响。
晶粒越细小，晶界越强固，材料的疲劳强度越高。
2. 表面质量：表面缺陷如裂纹、划痕等会成为疲劳起始点，导致疲劳破坏的发生。
因此，良好的表面质量有助于提高疲劳强度。
3. 加工硬化：金属材料经过加工后，晶粒会细化，晶界也会变得更加强固，因此加工硬化能够提高材料的疲劳强度。
4. 温度：温度对金属材料的疲劳强度有一定影响。
一般情况下，随着温度的升高，材料的疲劳强度会降低。
5. 应力水平：应力水平是指材料在循环加载下所受到的应力大小。
较低的应力水平可以提高材料的疲劳强度。
三、测试方法1. S-N曲线法：该方法是目前应用最广泛的疲劳试验方法之一。
实验中通过不同应力水平下的循环加载，记录下材料的疲劳寿命，然后绘制S-N曲线，得出疲劳强度。
2. 破坏断口分析法：该方法通过观察材料的疲劳破坏断口来判断疲劳强度。
根据断口的形貌、特征来分析疲劳破坏的机制和强度。
3. 微观结构分析法：该方法通过显微镜、扫描电镜等工具对材料的微观结构进行观察和分析，进而推断疲劳强度。
结论：金属材料的疲劳强度是评估材料抗疲劳性能的重要指标。
疲劳强度受到多种因素的影响，如材料的组织结构、表面质量、加工硬化、温度和应力水平等。
为了准确评估材料的疲劳强度，可以采用S-N 曲线法、破坏断口分析法和微观结构分析法等测试方法。
通过研究和提高材料的疲劳强度，可以延长材料的使用寿命，提高产品的可靠性。
疲劳性能
创新点 研究范围可不可以扩展到 有机物呢，比如肌肉组织， 木头纤维。。。。。
从这里出发，我在想会不 会疲劳不只是一种力学行 为，而对于光电声磁这些 物理行为也有意义
比较确8年出了一起事 故，一列高速列车出轨， 造成100多人死亡
国际民航组织 (ICAO)发表的 “涉及金属疲劳断裂的重大飞机失 事调查”指出： 80年代以来，由金属疲劳断裂 引起的机毁人亡重大事故，平均每 年100次。(不包括中、苏)Int. J. Fatigue, Vol.6, No.1, 1984
②宏观裂纹扩展阶段 （图）
③瞬时断裂阶段 （图）
（3）.抗疲劳性能测定
衡量金属材料的抗疲劳性 能的参数是疲劳极限
单点法、
传统试验方法
疲劳极限的测量方法包括 两大类，传统试验方法和 新实验方法。传统的试验 方法包括，单点法、成组 法、升降法等。新的试验 方法包括热敏电阻测温法、 红外热像法。
成组法、
另一类是外因，包括材料的表面形态和载荷形式
金属疲劳断裂的机理
疲劳断裂过程分为疲劳裂纹的萌生、 稳定扩展、失稳断裂三个阶段
金属疲劳断裂断口分析
对金属的断口进行分析可以得到很所有用的讯息： 对零部件进行疲劳寿命估算 确定构件形成裂纹的时间, 评价其制造质量 正确分析事故原因, 解决工程实际问题
图
疲劳研究的一些 方向 1.对于某种具体材料的疲 劳性能以及断裂的机理， 比如：水泥、混凝土 2.形成关于疲劳寿命预测的 理论，或者利用实验条件对 已有理论进行比较，或者对 其进行修正 3.研究铁磁材料的磁疲劳 性能
升降法
新的试验方法
热敏电阻测温法 红外热像法
4.疲劳寿命
对疲劳寿命进行研 究的工具是：疲劳 寿命曲线又称为 Wohler曲线，习惯 上也称作S-N曲线。
金属材料的疲劳性能
金属材料的疲劳性能
金属材料是工程结构中常用的材料之一，其在使用过程中会受到循环载荷作用，极易发生疲劳破坏。
因此，研究金属材料的疲劳性能对于提高工程结构的可靠性和安全性具有重要意义。
疲劳失效
概念
疲劳失效是指在循环载荷的作用下，材料在较小应力水平下发生裂纹并最终导致破坏的现象。
相比于静态载荷下的破坏，疲劳失效具有突发性和难以预测性。
影响因素
应力幅值
循环次数
加工和制造缺陷
材料缺陷
疲劳性能评定
S-N曲线
S-N曲线是描述材料在不同应力水平下经历不同循环次数后的疲
劳寿命的图示曲线。
通过S-N曲线可以评定材料在特定应力水平下的
疲劳性能。
疲劳极限
疲劳极限是指材料在特定条件下所能承受的最高循环载荷，超过
这个载荷将会导致材料的疲劳失效。
疲劳极限是评定材料抗疲劳性能
的重要参数之一。
提高金属材料的疲劳性能
表面处理
通过表面处理方法如喷丸、镀层等可以有效提高金属材料的表面
质量和抗裂纹扩展能力，从而提高其抗疲劳性能。
热处理
采用适当的热处理工艺，如淬火、回火等可以改善金属组织结构，消除内部应力集中，提高金属材料的抗疲劳性能。
材料改进
采用先进的合金设计和制备技术，选择合适的合金元素配比和显
微组织形态，可以显著提高金属材料的疲劳寿命。
结语
金属材料的疲劳性能是工程结构安全性和可靠性的重要保证。
通
过对金属材料疲劳失效机制和影响因素的深入理解，以及针对性的改
进手段，可以有效提高金属材料的疲劳性能，推动工程结构向更安全、更可靠的方向发展。
金属材料的力学性能
金属材料的力学性能
金属材料的力学性能是指材料在受到力的作用下的行为和性能。
常见的金属材料（如钢、铝、铜等）具有较高的强度和刚性，具有良好的塑性和延展性。
其主要的力学性能包括以下几个方面：
1. 强度：金属材料的强度是指材料在受到外力作用下抵抗变形和破坏的能力。
常见的强度指标有屈服强度、抗拉强度、抗压强度等。
2. 延展性：金属材料具有较好的延展性，即在受到外力作用下能够发生塑性变形。
延展性可以通过材料的延伸率、断面收缩率等指标来描述。
3. 韧性：金属材料的韧性是指材料能够在承受外力作用下吸收较大的能量而不发生断裂或破坏的能力。
韧性也可以通过断裂韧性、冲击韧性等指标来描述。
4. 硬度：金属材料的硬度是指材料抵抗局部变形和外界划
痕的能力。
硬度可以通过洛氏硬度、布氏硬度等进行测量。
5. 弹性模量：金属材料的弹性模量是指材料在受到外力后，能够恢复到原来形状的能力。
弹性模量可以描述材料的刚
度和变形的程度。
6. 疲劳性能：金属材料的疲劳性能是指材料在受到交替或
重复载荷下的疲劳寿命和抗疲劳性能。
疲劳性能可以通过
疲劳寿命、疲劳极限等指标来描述。
以上是金属材料的一些常见力学性能参数，不同的金属材
料在这些性能方面有所差异。
这些性能参数的好坏直接决
定了金属材料在工程实践中的应用范围和性能优势。
材料的疲劳性能完整版
材料的疲劳性能HUA system office room 【HUA16H-TTMS2A-HUAS8Q8-HUAH1688】材料的疲劳性能一、疲劳破坏的变动应力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。
变动载荷指大小或方向随着时间变化的载荷。
变动载荷在单位面积上的平均值称为变动应力，分为规则周期变动应力（或称循环应力）和无规则随机变动应力两种。
1、表征应力循环特征的参量有：①最大循环应力：σmax ；②最小循环应力：σmin ；③平均应力：σm =（σmax +σmin ）/2；④应力幅σa 或应力范围Δσ：Δσ=σmax -σmin ，σa =Δσ/2=（σmax -σmin ）/2； ⑤应力比（或称循环应力特征系数）：r=σmin /σmax 。
2、按平均应力和应力幅的相对大小，循环应力分为：①对称循环：σm =（σmax +σmin ）/2=0，r=-1，大多数旋转轴类零件承受此类应力；②不对称循环：σm ≠0，-1<r<1。
发动机连杆或结构中某些支撑杆、螺栓承受此类应力，σa >σm >0，-1<r<0；③脉动循环：σm =σa >0，r=0，齿轮的齿根及某些压力容器承受此类应力。
σm =σa <0，r=∞，轴承承受脉动循环压应力；④波动循环：σm >σa，0<r<1，发动机气缸盖、螺栓承受此种应力；⑤随机变动应力：循环应力呈随机变化，无规律性，如运行时因道路或者云层的变化，汽车、拖拉机及飞机等的零件，工作应力随时间随机变化。
二、疲劳破坏的概念和特点1、疲劳破坏概念在变动应力作用下，材料内部薄弱区域的组织逐渐发生变化和损伤累积、开裂，当裂纹扩展达到一定程度后发生突然断裂的过程，是一个从局部区域开始的损伤积累，最终引起整体破坏的过程。
疲劳破坏是循环应力引起的延时断裂，其断裂应力水平往往低于材料抗拉强度，甚至低于其屈服强度。
金属材料的力学性能
金属材料的力学性能
金属材料的力学性能主要包括以下几个方面：
1. 强度：金属材料的强度是指它抵抗外力的能力。
通常用屈服强度、抗拉强度或抗压强度来表示材料的强度。
2. 延展性：金属材料的延展性是指其在受力下能够发生塑性变形的
能力。
常用的评价指标有伸长率、断面收缩率和断裂延伸率。
3. 硬度：金属材料的硬度是指其抵抗局部划痕或压痕的能力。
常用
的硬度测试方法有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等。
4. 韧性：金属材料的韧性是指其抵抗断裂的能力。
韧性与强度和延
展性密切相关，一般用冲击韧性和断裂韧性来评价材料的韧性。
5. 塑性：金属材料的塑性是指其在受力作用下发生可逆形变的能力。
塑性是金属材料特有的力学性能，它使得金属材料可以制成各种形状。
6. 疲劳性能：金属材料的疲劳性能是指其在交变或周期性载荷下抵抗疲劳损伤的能力。
疲劳性能的评价指标包括疲劳寿命和疲劳极限等。
不同的金属材料具有不同的力学性能，这些性能会受到材料的化学成分、晶体结构、热处理和加工工艺等因素的影响。
因此，在选择和使用金属材料时，需要根据具体的工程要求和环境条件来考虑其力学性能。
金属材料的耐磨性与疲劳性能分析
金属材料的耐磨性与疲劳性能分析在工业生产中，金属材料的耐磨性和疲劳性能是重要的性能指标。
耐磨性是指金属材料在摩擦和磨损的作用下能够保持良好的表面质量和机械性能的能力。
而疲劳性能则是指金属材料在受到交替载荷作用下，能够保持一定的力学性能和寿命的能力。
本文将对金属材料的耐磨性和疲劳性进行分析。
一、耐磨性能分析金属材料的耐磨性是指在磨损环境下，金属的表面不能过度磨损或产生裂纹、麻点、氧化等缺陷。
金属材料的耐磨性能主要是由金属材料的化学组成、金相组织结构、硬度和表面粗糙度等因素决定的。
1.金属材料的化学组成金属材料的化学组成对其耐磨性具有重要影响。
铁基金属在含氧气氛下容易产生氧化层，从而影响材料的耐磨性。
而合金化能使金属获得更好的耐腐蚀性、耐磨性和强度。
2.金相组织结构金相组织结构主要由晶粒尺寸、晶体形状、相的数量和组成、氧化物、夹杂物和缺陷等因素决定。
通常，细小均匀的晶粒、紧密无缺陷的结晶和良好的晶界结合能够提高金属材料的耐磨性。
3.硬度金属材料硬度高的话，摩擦面之间的接触压力也会增加，这样对于磨损接触面的微观垫层和垫层上形成的氧化物、夹杂物的剪切和破裂所需的引致力也会增加。
所以，金属材料的硬度越高耐磨性能越好。
4.表面粗糙度金属材料的表面粗糙度也对其耐磨性能有影响。
通常，表面粗糙度越小，表面的揉合层和磨损层也会越小，摩擦阻力也会减小，从而提高了金属材料的耐磨性。
二、疲劳性能分析一般情况下，金属材料的机械件在使用过程中都会遭到交替载荷的作用，这些载荷也就是往复拉伸和压缩的力，造成了所谓的“疲劳断裂”。
疲劳性能是指金属材料在长期使用过程中承受交替载荷作用下，能够保持一定的力学性能和寿命的能力。
金属材料的疲劳性能主要取决于材料的组织结构、载荷的频率、幅值和材料的应力水平。
1.金属材料的组织结构金属材料的组织结构对其疲劳性能有很大影响。
疲劳寿命是一种热态性能，组织结构中的组织成分、晶粒大小、晶界等都会对疲劳寿命产生影响。
金属材料的疲劳性能研究
金属材料的疲劳性能研究1. 引言金属材料是广泛应用于工程结构和设备制造领域的重要材料之一。
然而，在长期使用和高强度工作环境下，金属材料容易出现疲劳现象，导致失效和损坏。
因此，研究金属材料的疲劳性能具有重要意义。
本文将探讨金属材料的疲劳现象、疲劳寿命预测方法以及相关测试技术。
2. 金属材料的疲劳现象金属材料在受到重复加载和应力循环时，会逐渐失去耐久性能，最终导致失效。
这种失效称为疲劳。
疲劳失效可以分为低周疲劳和高周疲劳两种。
低周疲劳主要发生在高载荷和应力幅值的情况下，常常引起严重的断裂。
高周疲劳则发生在载荷频率较高、应力幅值相对较小的情况下，其失效通常表现为表面裂纹的扩展。
3. 疲劳寿命预测方法为了评估金属材料在实际使用中的疲劳寿命，科学家们开发了多种疲劳寿命预测方法。
其中最常用和有效的方法是基于应力幅与寿命的S-N曲线法。
这种方法通过实验测定金属材料的疲劳寿命数据，建立应力幅与寿命之间的关系曲线，从而预测材料在特定应力水平下的寿命。
此外，还有一些基于裂纹扩展机理的疲劳寿命预测方法，如裂纹扩展生长率法和残余寿命模型。
这些方法基于裂纹的扩展速率来评估疲劳寿命，能够更加精确地预测金属材料的寿命。
4. 金属材料疲劳性能测试技术为了获得金属材料的疲劳性能数据，人们开发了各种测试技术和试验设备。
最常用的测试方法是疲劳试验。
疲劳试验通常采用标准试样，通过对试样进行循环加载和应力幅变化，从而模拟真实使用条件下的疲劳状态。
疲劳试验可以分为拉伸疲劳试验、弯曲疲劳试验、扭转疲劳试验等。
这些试验方法能够精确测定金属材料的疲劳强度、疲劳寿命和裂纹扩展速率。
此外，还有一些先进的非破坏性测试方法用于评估金属材料的疲劳性能，如超声波检测、红外热成像等。
这些方法可以检测材料中的裂纹、缺陷和应变分布，为疲劳性能研究提供了有力的辅助手段。
5. 结论金属材料的疲劳性能研究对于确保工程结构和设备的安全和可靠性至关重要。
本文讨论了金属材料的疲劳现象、疲劳寿命预测方法以及相关测试技术。
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)。
金属材料的疲劳性能
金属材料的疲劳性能金属材料是工程中应用最广泛的一类材料，因其优良的力学性能、良好的加工性和广泛的适用性而受到青睐。
然而，在实际应用中，金属材料往往需要承受周期性的载荷，这种条件下的失效主要表现为疲劳破坏。
因此，了解金属材料的疲劳性能，对提高产品的可靠性与安全性具有至关重要的意义。
疲劳的基本概念疲劳是指材料在反复或交变载荷作用下，经过一定的循环次数后，出现的逐渐积累损伤并导致破坏的现象。
疲劳破坏通常是由微小的裂纹开始，在多次循环加载下逐步扩展，最终导致材料的断裂。
疲劳破坏与静态强度无直接关系，且其发生往往是在较低于材料屈服强度和抗拉强度的荷载下进行，表明这是一种特殊的破坏模式。
疲劳寿命疲劳寿命一般用于描述材料在特定载荷和环境条件下能承受多少次循环而不发生破坏。
通常我们用以下两个指标来表征疲劳寿命：循环次数（Nf）：这是指在出现疲劳破坏之前材料所能承受的加载循环次数。
疲劳极限（σf）：对于大多数金属材料，存在一个应力水平（称为疲劳极限），低于这个水平时材料即使经过无限次循环也不会发生疲劳破坏。
值得注意的是，并非所有金属都具有明显的疲劳极限，如铝合金等常见金属，其 fatigue limit 不易确定。
疲劳性能影响因素影响金属材料疲劳性能的因素包括但不限于以下几个方面：材料成分金属材料中的化学成分对其疲劳性能有明显影响。
例如，合金元素如镍、钼、铬等可以显著提高钢材的抗疲劳性能。
适当增加合金元素的比例，使得金属晶体结构更加稳定，从而提高了其疲劳强度。
此外，非金属杂质（如硫、磷等）的存在，则会降低材料的疲劳性能。
材料组织材料的微观组织结构直接决定了其机械性能。
在热处理过程中，通过控制冷却速度和温度，可以改变金属材料的相组成与晶粒尺寸，从而优化组织，提高疲劳性能。
例如，细化晶粒可以显著提高金属件的抗疲劳能力。
调质处理后的钢材，相较于退火状态下，会表现出更高的抗疲劳能力。
应力集中在实际使用中，构件往往因为几何形状的不均匀性（如凹坑、切口、焊缝等）而产生应力集中现象。
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。
金属材料的疲劳性能
金属材料的疲劳性能金属材料是工程领域中常用的材料之一，其疲劳性能对于工程结构的安全性和可靠性具有重要影响。
疲劳是指材料在交变载荷作用下，经过一定次数的循环加载和卸载后，产生裂纹并最终破坏的现象。
本文将介绍金属材料的疲劳机理、影响因素以及改善疲劳性能的方法。
一、疲劳机理金属材料的疲劳机理主要包括以下几个方面：1. 微观裂纹形成和扩展：在交变载荷作用下，金属材料内部会产生微观裂纹，这些裂纹会随着循环加载和卸载的重复作用逐渐扩展，最终导致材料破坏。
2. 塑性变形和应力集中：在循环加载和卸载的过程中，金属材料会发生塑性变形，这会导致应力集中，从而加速裂纹的形成和扩展。
3. 金属材料的内部缺陷：金属材料内部存在各种缺陷，如夹杂物、气孔等，这些缺陷会成为裂纹的起始点，加速裂纹的扩展。
二、影响因素金属材料的疲劳性能受到多种因素的影响，主要包括以下几个方面：1. 材料的力学性能：材料的强度、韧性、硬度等力学性能对疲劳性能有重要影响。
强度高的材料能够承受更大的载荷，韧性好的材料能够吸收更多的能量，硬度高的材料能够抵抗塑性变形。
2. 循环载荷的幅值和频率：循环载荷的幅值和频率对疲劳性能有直接影响。
幅值越大、频率越高，材料的疲劳寿命越短。
3. 温度和环境条件：温度和环境条件对金属材料的疲劳性能也有一定影响。
高温环境下，金属材料的疲劳寿命会降低。
4. 表面处理和应力状态：表面处理和应力状态对金属材料的疲劳性能有重要影响。
表面处理可以改善材料的表面质量，减少裂纹的形成和扩展；应力状态的合理控制可以减少应力集中，延缓裂纹的扩展。
三、改善疲劳性能的方法为了改善金属材料的疲劳性能，可以采取以下几种方法：1. 优化材料的组织结构：通过合理的热处理、合金设计等方法，优化金属材料的组织结构，提高其强度和韧性，从而提高疲劳寿命。
2. 表面处理：采用表面处理技术，如喷丸、镀层等，可以改善金属材料的表面质量，减少裂纹的形成和扩展。
3. 控制应力状态：通过合理的设计和加工工艺，控制金属材料的应力状态，减少应力集中，延缓裂纹的扩展。
《金属材料力学性能》课件
• 金属材料力学性能概述 • 金属材料的拉伸性能 • 金属材料的冲击韧性 • 金属材料的硬度与耐磨性 • 金属材料的疲劳性能 • 金属材料的断裂韧性
01
金属材料力学性能概述
定义与分类
定义
金属材料的力学性能是指金属材料在受到外力作用时所表现出来的性能，包括 弹性、塑性、韧性、强度等。
屈服阶段
屈服阶段是金属材料在受到外力作用后发生屈服现象的阶段，此时金属材料开始 发生塑性变形，应力与应变不再呈线性关系。
屈服强度是描述金属材料在屈服阶段的力学性能指标，反映了金属材料抵抗屈服 现象的能力。
强化阶段
强化阶段是金属材料在屈服阶段之后发生强度增高的阶段， 此时金属材料的应力与应变关系呈上升趋势。
通过改变材料的内部结构来提高韧性，如通过退火或淬火处理。
提高金属材料断裂韧性的方法
冷加工
通过塑性变形提高材料的韧性，如轧 制、拉拔或挤压。
提高金属材料断裂韧性的方法
表面处理
VS
通过喷丸、碾压或渗碳淬火等表面处 理技术提高材料的韧性。
THANKS
感谢观看
金属材料的力学性能与经济发展密切 相关，高性能的金属材料能够推动产 业升级和经济发展。
科学研究
金属材料的力学性能是科学研究的重 要领域之一，对于深入了解金属材料 的本质特性和发展新型金属材料具有 重要意义。
02
金属材料的拉伸性能
拉伸试验与拉伸曲线
拉伸试验
通过拉伸试验可以测定金属材料的拉 伸性能，包括抗拉强度、屈服强度、 延伸率等指标。
冲击试验与冲击韧性指标
冲击试验
通过在试样上施加冲击负荷，测定材 料抵抗冲击断裂的能力。
冲击韧性指标
金属材料的疲劳性能
金属材料的疲劳性能金属材料是工程领域中广泛应用的材料之一，其疲劳性能是评价材料耐久性和可靠性的重要指标之一。
疲劳性能是指金属材料在受到交变应力作用下，在一定应力水平下发生疲劳破坏的能力。
本文将从金属材料疲劳破坏的基本概念、疲劳破坏的机理、影响疲劳性能的因素以及提高金属材料疲劳性能的方法等方面展开探讨。
一、基本概念疲劳是指材料在受到交变应力作用下，经过一定次数的应力循环后发生破坏的现象。
疲劳破坏是一种隐蔽性的破坏形式，通常不会在材料表面留下明显的痕迹，但会导致材料的突然失效。
疲劳破坏是由于应力循环引起的微观裂纹扩展最终导致材料失效。
二、疲劳破坏的机理1. 裂纹萌生阶段：在金属材料受到交变应力作用下，材料内部会产生微小的裂纹，这些裂纹通常位于晶界、夹杂物或位错等缺陷处。
2. 裂纹扩展阶段：随着应力循环次数的增加，裂纹会逐渐扩展并蔓延至材料的整个截面，最终导致材料疲劳破坏。
3. 最终破坏阶段：当裂纹扩展至一定长度时，材料的强度将无法承受应力，导致材料突然破裂。
三、影响疲劳性能的因素1. 材料的组织结构：晶粒的尺寸、晶界的性质、夹杂物的分布等都会影响材料的疲劳性能。
2. 表面质量：表面粗糙度、表面处理等会影响裂纹的萌生和扩展速度。
3. 工作温度：高温环境下金属材料的疲劳性能通常会下降。
4. 应力水平：应力水平越高，材料的疲劳寿命越短。
5. 加工工艺：不同的加工工艺会对材料的晶粒结构和性能产生影响。
四、提高金属材料疲劳性能的方法1. 优化材料设计：合理选择材料的成分和热处理工艺，以提高材料的疲劳寿命。
2. 表面处理：采用喷丸、化学处理等方法，提高材料表面的质量，减缓裂纹的扩展速度。
3. 减小应力集中：通过设计合理的结构和减小零件的应力集中部位，降低材料的疲劳破坏风险。
4. 加强材料的表面保护：采用涂层、镀层等方式，提高材料的抗腐蚀性能，延长材料的使用寿命。
综上所述，金属材料的疲劳性能是一个综合性能指标，受到多种因素的影响。
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第3章金属材料疲劳性能及其描述3.1金属材料的拉伸特性3.2金属的循环应力应变特性3.3金属材料的S-N曲线3.4金属材料的ε-N曲线参考书目2第3章金属材料疲劳性能及其描述3.1 金属材料的拉伸特性材料的和定义为：e =试件加载后的长度改变−量L试件标距原始长度LLS =载荷P试件加载前的截面积A材料的和定义为：σ=载荷P试件瞬时截面积Ad瞬时伸长量d LL ⎛⎜⎜LL⎞⎟⎟⎝⎠⇒dε=ln瞬时长度LLNUAA航空宇航学院姚卫星©3第3章金属材料疲劳性能及其描述3.1 金属材料的拉伸特性工程应力S和应变e与真实应力σ和应变ε的关系：()ε=+ln1eσ=+S(1e)NUAA航空宇航学院姚卫星©4第3章金属材料疲劳性能及其描述3.1 金属材料的拉伸特性真实应力σ和应变ε的关系可用Ramberg-Osgood模型描述：ε=σσ+⎜⎛⎜E K⎝⎞⎟⎠1nK——强度系数，n——应变硬化指数。
就绝大多数工程结构材料而言，对于单调拉伸曲线可作如下假定：①单调拉伸和单调压缩曲线关于原点O反对称；②在屈服极限A点以内是直线。
NUAA航空宇航学院姚卫星©3.2 金属材料循环σ-ε曲线弹性:弹塑性:3.2 金属材料循环σ-ε曲线"循环硬化/软化"循环蠕变/松弛"Bauschinger效应"Mashing特性"记忆特性"稳态循环σ-ε曲线"瞬态循环σ-ε曲线7第3章金属材料疲劳性能及其描述3.2.1 循环硬化/软化当外加循环应力—应变使材料进入塑性后，由于反复产生塑性变形，使金属的塑性流动特性改变，材料抵抗变形的能力增加或减小，这种现象称为循环硬化或循环软化。
¾应力控制¾应变控制¾材料¾稳定性问题NUAA航空宇航学院姚卫星©应力控制应力控制下材料的循环硬化应力控制下材料的循环软化应力控制应力控制下材料的循环软化SAE1045钢的循环软化应变控制应变控制下材料的循环硬化应变控制下材料的循环软化应变控制应变控制下材料的循环软化完全退火状态铜的循环硬化材料的硬化/软化的判断材料的循环硬化或软化特性与材料的屈强比σS/σb：‰σS/σb<0.7 的材料为循环硬化材料；‰σS/σb>0.8 的材料为循环软化材料；‰σS/σb=0.7~0.8 的材料无法确定。
材料的循环硬化或软化特性也可用断裂延性εf判断：Óεf<50％的材料为循环硬化材料；Óεf>50%的材料为循环软化材料；Óεf在50％附近的材料无法确定。
NUAA航空宇航学院姚卫星©稳定性问题金属材料的循环稳定与不稳定有二种观点：¾在一定的循环数后，滞后环趋于稳定¾直到疲劳破坏，循环硬化/软化一直存在，只是越来越小。
3.2.2 循环蠕变/松弛循环蠕变具有明显蠕变行为的材料的典型应力－应变曲线NUAA航空宇航学院姚卫星©15第3章金属材料疲劳性能及其描述3.2.2 循环蠕变/松弛循环松弛16第3章金属材料疲劳性能及其描述3.2.3 Bauschinger效应在一定量的拉伸或压缩塑性形变之后再进行反向加载时，材料的屈服强度会低于连续形变的屈服强度，这一现象被称之为Bauschinger效应。
它是影响迟滞回线几何形状的重要因素。
NUAA航空宇航学院姚卫星©17第3章金属材料疲劳性能及其描述3.2.4 Mashing特性A B C DAB C DG F H EEFGH若将图中迟滞回线的最低点E、F、G、H平移到与坐标原点O相重合，如果迟滞回线的最高点A、B、C、D的边线与上行段迹线相吻合，则该材料称为Masing材料，即其具有Masing特性。
反之，则该材料不具有Masing特性，称为非Masing材料。
NUAA航空宇航学院姚卫星©18第3章金属材料疲劳性能及其描述3.2.5 记忆特性材料的记忆特性是指材料在循环载荷作用下应力—应变响应似乎能够记得曾经经历过的变形的特性。
用以描述材料记忆特性的手段是可用性系数。
A B C D E F G H I J K 加载点σ(MPa)650-450720460750-750350-45055070550ε(%)0.8-0.2 1.20.6 1.5-1.5-0.5-0.90.1-0.220.5 NUAA航空宇航学院姚卫星©3.2.5 记忆特性拉伸可用性系数F+(j,p)j p O A B C D E F G H I J K…① 1.00 2.000.8602020 1.60② 1.00 2.0000201000③ 1.00 1.0000211000④ 1.00.50.5000222110⑤ 1.0 1.0 1.00.80.80.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5压缩可用性系数F-(j,p)j p O A B C D E F G H I J K…① 1.0 2.00 2.0 1.14 2.00 2.00 2.00.4 2.0② 1.0 2.00 2.0 2.0 2.00 2.0 1.0 2.0 2.0 2.0③ 1.0 2.0 1.0 2.0 2.0 2.00 1.0 1.0 2.0 2.0 2.0④ 1.0 1.5 1.5 2.0 2.0 2.0000 1.0 1.0 2.0⑤ 1.0 1.0 1.0 1.2 1.2 1.50.50.50.50.50.50.5NUAA航空宇航学院姚卫星©3.2.6 稳态循环σ-ε曲线材料的稳态循环应力—应变曲线描述了当材料的瞬态行为达到了相对稳定状态时的应力—应变关系。
稳态循环- 曲线稳态循环应力—应变曲线是由在应变比Rε=-1下的应变控制疲劳试验得到的。
将不同应变水平下0的稳态滞后环的尖点连接起来后得到的曲线就是稳态循环应力—应变曲线。
NUAA航空宇航学院姚卫星©21第3章金属材料疲劳性能及其描述3.2.6 稳态循环σ-ε曲线1400 18001200150010001200800900600400 200 单调拉伸循环稳定600300单调拉伸循环稳定0 1 2 3 4 5 60 1 2 3 4 5 6 7 8e(%) e(%) 循环软化材料30CrMnSiA 循环软化材料30CrMnSiNi2ANUAA航空宇航学院姚卫星©22第3章金属材料疲劳性能及其描述3.2.6 稳态循环σ-ε曲线700 800700600600500500400400300200300单调拉伸循环稳定200 单调拉伸稳定循环1001000 1 2 3 4 5 6 7 80 2 4 6 8 10 12e(%) e(%)循环硬化材料LY12-CZ 循环硬化材料LC4-CSNUAA航空宇航学院姚卫星©23第3章金属材料疲劳性能及其描述3.2.6 稳态循环σ-ε曲线稳态循环应力－应变曲线表达式：εa=ε+εae ap=σaE+⎛⎜⎝σa′K⎞⎟⎠1′n材料E/GPaσSMPa σb/MPaεf/%K/MPanK’/MPan’LY12-CZ7133247630.925450.0896460.067 2024-T3517337946928.004550.0326550.065 LC4-CS7357161418.157750.0639500.080 LC9-CS7251856023.577250.0719060.101 30CrMnSiNi2A2001302165574.0023550.09126480.13030CrMnSiA2031022117777.2714750.06317620.130GC42001513187563.3231500.14734110.140 NUAA航空宇航学院姚卫星©3.2.6 稳态循环σ-ε曲线稳态Δσ—Δε曲线：J. Morrow提出：Δσ—Δε曲线是由循环σ—ε曲线放大1倍后所得到的曲线。
从0加载到A点是单调加载，遵循循环σ—ε曲线；从A点反向加载到B点，遵循双倍Δσ—Δε曲线。
Δσ—Δε曲线上每段的长度是σ—ε曲线相应段的2倍。
NUAA航空宇航学院姚卫星©3.2.7 瞬态循环σ-ε曲线基本假设：①各支瞬态曲线线性段的斜率是相同的，即弹性模量E相同，只是直线段的长度不同，也即屈服强度不同；②各支瞬态曲线的曲线段的形态相同；③循环硬化材料，随着循环数的增加，直线段的长度不断增长，直至饱和；而循环软化材料，随着循环数的增加，直线段的长度不断缩短，直至饱和。
NUAA航空宇航学院姚卫星©3.2.7 瞬态循环σ-ε曲线第一次循环的σ—ε曲线称为骨架曲线。
用屈服强度增量来表示直线段的变化，则第i次循环的屈服强度可表示为：σY =σ+δi Y1 σYiJhansale 模型：对称应变循环下(Rε=-1)：⎛−1δY i YS C σ=σ⎜δ1⎞⎟⎠⎝iHSδσδσYS δσYS 是屈服强度增量的饱和值，循环硬化材料>0，循环软化<0；YSC是循环硬化/循环软化系数。
HSNUAA航空宇航学院姚卫星©27第3章金属材料疲劳性能及其描述3.2.7 瞬态循环σ-ε曲线Jhansale 模型：对不称应变循环下(Rε≠-1)：NUAA航空宇航学院姚卫星©28第3章金属材料疲劳性能及其描述3.2.7 瞬态循环σ-ε曲线杨庆雄模型：5种常用航空材料试验结果拟合：⎧1 ⎫⎧⎫⎪⎪log i⎡⎤(i) (i) (i) (i) (i)aεa a a a⎪⎪⎪⎪⎢⎥a2 ⎪⎪11 12 13 14 15δσ[]( 4) =⎨⎬[]A A A A ⎨⎬⎪(log )i⎪A 1 R R⎢a a a a a⎥=(i) (i) ) i2 ) ∈(i(i(i)ε2 iεεaY i 1 2 3 4 3⎢21 22 24 ⎥23 25(log i) ⎪⎪⎪⎪ε3(i) (i) (i) (i) (i)a a a a a⎢⎥⎪⎪⎣⎦a ⎪⎪4(log i) 31 3233 34 35⎩⎭⎪ε⎪4⎩⎭aNUAA航空宇航学院姚卫星©29第3章金属材料疲劳性能及其描述3.3 金属材料的S-N曲线为了评价和估算疲劳寿命或疲劳强度，需要建立外载荷与寿命之间的关系。
，或称之为Wöhler曲线。
"S-N曲线"等寿命曲线"疲劳极限"疲劳极限图"P-S-N曲线NUAA航空宇航学院姚卫星©3.3.1 S-N曲线S-N曲线低周疲劳区(LCF)高周疲劳区(HCF)亚疲劳区(SF)NUAA航空宇航学院姚卫星©3.3.1 S-N曲线S-N曲线表达式：指数函数公式：N⋅eαS=⇒lg =+C N ab S幂函数公式：Sα=⇒lg =+lgN C N a bSBasquin公式：b S a =σf′(2 )NWeibull公式：N S(S S) f =−f =−f a aeb三参数公式：⎛+S S⎜1Cα⎞⎟N⎠=e⎝NUAA航空宇航学院姚卫星©3.3.1 S-N曲线有关材料S-N曲线：K T对S-N曲线的影响LY12B-CZ厚板，应力比R=0.1，轴向加载&30CrMnSiNi2A棒材，应力比R=0.1，轴向加载& NUAA航空宇航学院姚卫星©3.3.1 S-N曲线有关材料S-N曲线：R对S-N曲线的影响LY12-CS板材，应力集中系数K=1，轴向加载&TLY12-CS板材，应力集中系数K=3，轴向加载&TNUAA航空宇航学院姚卫星©。