第05章金属的疲劳
材料的疲劳性能(2)
材料得疲劳性能一、本章得教学目得与要求本章主要介绍材料得疲劳性能，要求学生掌握疲劳破坏得定义与特点,疲劳断口得宏观特征,金属以及非金属材料疲劳破坏得机理,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,影响材料疲劳强度得因素与热疲劳损伤得特征及其影响因素,目得就是为疲劳强度设计与选用材料建立基本思路.二。
教学重点与难点1、疲劳破坏得一般规律（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得因素（重点）5热疲劳（难点）三。
主要外语词汇疲劳强度：f a t i g ue st r engt h 断口:fractu r e 过载持久值:o v erlo a d of l a stin g value疲劳缺口敏感度：f atigue notch se n s it i vit y 疲劳裂纹扩展速率：fat i gue crac k gr o wth rate 裂纹扩展门槛值:th res hol d of crac k p r opaga t ion 热疲劳:t herm a l 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,1 99 53、石德珂，金志浩等、材料力学性能、西安：西安交通大学出版社，19 964、郑修麟、材料得力学性能、西安：西北工业大学出版社,19 945、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得疲劳性能第一节疲劳破坏得一般规律1、疲劳得定义材料在变动载荷与应变得长期作用下，因累积损伤而引起得断裂现象,称为疲劳。
2、变动载荷指大小或方向随着时间变化得载荷. 变动应力:变动载荷在单位面积上得平均值分为:规则周期变动应力与无规则随机变动应力3、循环载荷（应力）得表征①最大循环应力：ama x②最小循环应力：a m m③平均应力：nm=（max + c min）/2④应力幅c a或应力范围△ : Ac =1 ax- c min c a= Ac /2=（（axr c m in ）/2⑤应力比（或称循环应力特征系数）：r= m o n/ max5、循环应力分类按平均应力、应力幅、应力比得不同,循环应力分为①对称循环c m= （c m a x + c min）/2=0 r = -1 属于此类得有：大多数旋转轴类零件。
金属材料疲劳极限的估算
表 2 结构钢材料的 σr 计算值与实验值比较 Tab. 2 Contrast calculation value of structural steel material σr with experiment test
表 2 列出了几种结构钢材料 r = 0. 1 及 r = 0. 3时的实验值与计算值的比较. 其中 ,σr 的计算 值由式 (3) 获得 ,式 (3) 所用 σ- 1 由式 (1) 计算得 到 ,实验数据来自文献[ 7 ] , Kt 为理论应力集中系
数. 由表 2 可以看出 ,计算值一般比实验值要小 ,
面的研究 1
第 4 期 李海梅等 金属材料疲劳极限的估算 27
计和测试中常用的经验公式有两种[4 ] .
指数函数表达式 :
lg N = A + Blgσ;
(1)
三参数幂函数表达式 :
σ= A + B / Nα.
(2)
三参数幂函数表达式能较好地描述 S - N 曲
材料
16Mn 热轧 45 调质 40Cr 调质
40CrNiMo 调质 60Si2Mn 淬火 后中温回火
表 1 几种金属材料 σ- 1的计算值与实验值[7]的比较 Tab. 1 Contrast calculation value of some metal materialσ- 1 with experiment test
2002 年 12月 第 23 卷 第 4 期
郑州大学学报 (工学版) Journal of Zhengzhou University ( Engineering Science)
材料力学性能05_冲击
高强低韧材料1和高韧低强材料2 的A-N曲线有一个交点。说明在 大能量低冲击寿命下，高韧低强 材料2的多冲抗力居上，而在小 能量高冲击寿命时，高强低韧材 料的多冲抗力居上。因此，材料 抵抗大能量一次冲击的能力主要 取决于材料的塑性和韧性，而抵 抗小能量多次冲击的能力则主要 取决于材料的强度。
2020/7/9
18/24
SHPB冲击试验与应力波分析
SHPB实验原理是将试样夹持于两个 细长弹性杆(入射杆与透射杆)之间， 由圆柱形子弹以一定的速度撞击入射 弹性杆的另一端，产生压应力脉冲并 沿着入射弹性杆向试样方向传播。当 应力波传到入射杆与试样的界面时， 一部分反射回入射杆，另一部分对试 样加载并传向透射杆，通过贴在入射 杆与透射杆上的应变片可记录人射脉 冲，反射脉冲及透射脉冲。当材料在 受冲击时瞬间变形可近似地视为恒应 变率，由一维应力波理论可以确定试 样上的应变率、应力、应变。
(2) 弹塑性响应 当冲击载荷产生的应力超过屈服强度而低于104MPa时，材料的响应可用耗散过程来 描述，同时应考虑大变形、粘滞性、热传导等，本构方程十分复杂，呈非线性。
(3) 流体动力学—热力学响应 当冲击载荷产生的应力超过材料强度几个数量级，达到106MPa或更高，材料可作为 非粘性可压缩流体处理，其真实结构可不予考虑，材料的响应可用热力学参数来描 述，其本构关系可用状态方程表示，也为非线性。
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材料的冲击破坏
载荷以高速度作用于材料的现象称为冲击。材料在冲击载荷作用下 发生的破坏与静载破坏有着不同的特点。冲击破坏过程中的应力波效应 是造成这一差异的主要根源。此外材料的应变率性效应也会对材料的冲 击破坏产生影响。设法在实验测试中将材料的应力波效应与应变率效应 解耦是测定材料动态本构关系的关键。
05第五章 电畴结构和极化反转3
• 任何铁电晶体中，畴间夹角等于顺电相对称等效 方向之间的夹角。总的电畴结构决定于顺电相的 对称性以及自发极化的方向。
5.1.2
电畴的形成
• 电畴的形成是系统自由能取极小值的结果。 • 现以一级相变铁电体为例来说明这一过程。 许多多轴铁电体和一些单轴铁电体呈现一级 相变。多轴铁电体的电畴结构具有普遍性， 不但有180°畴，而且有非180°畴。
第五章 电畴结构和极化反转
• 首先讨论电畴结构，重点是决定畴结构的 主要因素，并介绍几种重要的畴结构。 • 然后讨论极化反转的基本过程、唯象理论 和疲劳问题。 • 除极化反转外，电畴对其它物理性质也有 重要影响。
• 表面、不均匀性和机械约束使铁电体呈现电畴 结构，电畴的知识是了解铁电体许多性质(特 别是极化反转)的基础。 • 铁电体的极化反转是个双稳态转换过程。因此 早在1950年代人们就研究极化反转，试图开发 铁电存贮元件。但由于电滞回线矩形度不好， 反转电压高和疲劳显著而未能实现。1980年代 以来由于材料性能的改进和铁电薄膜制备技术 的发展，使对铁电体极化反转的研究重新成为 热点，并取得重要的进展。
• 相变热对电畴的形成也有影响，这在相变热较大、 且载流子浓度较高的晶体中比较显著。在准绝热条 件下，PbTiQ3晶体中出现正负交错的周期性畴结 构，这可用相界速率的周期性变化来说明。相界的 速率依赖于热量的产生和散逸。由顺电相进入铁电 相是一个放热过程，故相变时产生的热量将阻碍相 变，亦即使VB减小。 • 当VB小于晶体的热弛豫速率V0时，热量被及时地散 逸，相变可顺利进行，于是VB增大，但随之大量产 生的热量又阻碍了相变，使VB减小，所以相界速率 随时间呈周期性变化，当VB<V0时，晶体中不出现 反向畴，VB>V0时，则出现反向畴。 • 类似的现象在BaTiO3和KTaxNb1-xO3并未观察到， 这可能是因为PbTiO3相变热较大。PbTiO3相变热 Δ Q＝1750J／mol，BaTiO3的Δ Q＝210J／mol。
第05章金属的疲劳
第05章金属的疲劳1．解释下列名词(1) 应力范围△σ；(2) 应变范围△ε；(3) 应力幅σa；(4) 应变幅(△εt／2，△εe／2，△εp／2)；(5) 平均应力σm；(6) 应力比r；(7) 疲劳源；(8) 疲劳贝纹线；(9) 疲劳条带；(10) 驻留滑移带；(11) 挤出脊和侵入沟；(12)ΔK；(13) da/dN；(14) 疲劳寿命；(15) 过渡寿命；(16) 热疲劳；(17) 过载损伤。
2．解释下列疲劳性能指标的意义(1)疲劳强度σ-1、σ-1p、τ-1、σ-1N；(2) 疲劳缺口敏感度qf；(3) 过载损伤界；(4) 疲劳门槛值△Kth。
3．试述金属疲劳断裂的特点。
4．试述疲劳宏观断口的特征及其形成过程。
5．试述疲劳曲线(S—N)及疲劳极限的测试方法。
6．试述疲劳图的意义、建立及用途。
7．试述疲劳裂纹的形成机理及阻止疲劳裂纹萌生的一般方法。
8．试述影响疲劳裂纹扩展速率的主要因素，并和疲劳裂纹萌生的影响因素进行对比分析。
9．试述疲劳微观断口的主要特征及其形成模型。
10．试述疲劳裂纹扩展寿命和剩余寿命的估算方法及步骤。
11．试述σ-1与ΔKth的异同及各种强化方法影响的异同。
12．试述金属表面强化对疲劳强度的影响。
13．试述金属循环硬化和循环软化现象及产生条件。
14．试述低周疲劳的规律及曼森一柯芬关系。
15．试述多冲疲劳规律及提高多冲疲劳强度的方法。
16．)试述热疲劳和热机械疲劳的特征及规律；欲提高热锻模具的使用寿命，应该如何处理热疲劳与其它性能的相互关系?17．正火45钢的σb=610MPa，σ-l=300MPa，试用Goodman公式绘制靠σmax(σmin)一σm疲劳图，并确定σ-0.5、σ0和σ0.5等疲劳极限。
18．有一板件在脉动载荷下工作，σmax=200MPa，σmin =0，其材料的σb=70MPa、σ0.2=600MPa、KIC=104MPa·m1/2，Paris公式中c=6.9×10-12，n=3.0，使用中发现有0.1mm 和1mm的单边横向穿透裂纹，试估算它们的疲劳剩余寿命。
《道德经》第05章 多言数穷 原文翻译解读
第05章多言数穷【原文】天地不仁①，以万物为刍(chú)狗②。
圣人不仁，以百姓为刍狗。
天地之间，其犹橐(tuó)龠(yuè)乎③?虚而不屈，动而愈出。
多言数穷⑧，不如守中⑤。
【注解】①仁：仁爱、仁慈。
②刍(chú)狗：用野草扎成的狗，古人祭祀时用，用后即扔。
刍，野草。
③橐(tuó)龠(yuè)：古代的风箱。
④数：通“速”。
⑤中：适中的意思。
【译文】天地无所谓仁爱，对待万物像对待祭祀时草扎的小狗一样，任凭万物自然生长;有道的人无所谓仁爱，对待百姓也如同对待刍狗一样，任凭百姓自己发展。
天和地之间，不就像一个风箱吗?虽然中空但永无穷尽，越鼓动风量便愈多，生生不息。
政令名目繁多反而会加速国家的败亡，不如保持虚静。
天地不仁，以万物为刍狗。
【导读】老子表达了自己无神论的思想倾向，反对将天地、“道”进行人格化的观点。
他认为天地是自然的存在，无所谓仁也无所谓不仁，它对世间万物没有特定的感情，只是任其自生自灭、自由发展。
同样，圣人治理天下也应如此，让百姓自劳自息，尊崇自然规则，采取无为而治的方式。
太多的冗政繁令只会让人们不知所从，造成混乱。
【解析】这一章里：老子由天地的“不仁”，讲到圣人的“不仁”，进而提出了“守中”的思想。
和前文不执于一端、“不尚贤”、“无为而治”的思想是一贯的。
其内容主要包括两方面：一是老子再次表述了自己无神论的思想倾向，否定当时思想界存在的把天地人格化的观点。
他认为天地是自然的存在，没有理性和感情，它的存在对自然界万事万物不会产生任何作用，因为万物在天地之间依照自身的自然规律变化发展，不受天、神、人的左右。
二是老子又谈到“无为”的社会政治思想，是对前四章内容的进一步发挥。
他认为，作为圣人——理想的统治者，应当是遵循自然规律，采取无为之治，任凭老百姓自作自息、繁衍生存，而不会采取干预的态度和措施。
“天地不仁，以万物为刍狗。
”王弼说：“天地任自然，无为无造，万物白相治理，故不仁也。
《材料性能学》(第2版)12 材料的热学性能-1-热容-热膨胀
纽曼----柯普定律（Neumann-Kopp） ：
Born
Died
Residence Nationality Fields Institutions Alma mater Doctoral advisor
Doctoral students
Known for Notable awards
(1798-09-11)11 September 1798 Joachimsthal, Holy Roman Empire 23 May 1895(1895-05-23) (aged 96) Königsberg, German Empire Germany Germany Physicist, Mineralogist Königsberg University University of Berlin Christian Samuel Weiss Woldemar Voigt, Alfred Clebsch, Gustav Robert Kirchhoff, Friedrich Heinrich Albert Wangerin Neumann's Law Copley Medal (1886)
·chapter 12 Thermal Properties of Materials
·chapter13 Magnetic Properties of Materials
·chapter14 Electrical Properties of Materials
·chapter 15 Optical Properties of Materials
影响因素 测试方法
应用
掌握要点：
1. 材料的热学性能包括
、 、 、 等.
2. 固体材料的比热、热膨胀、热传导等热
构造地质学05第五章岩石力学性质
τｍａｘ＝ τ０ …（１）
τ０为抗剪强度极限
理论上，破裂面应沿最大剪应力面产生，形成棋 盘格式构造。剪裂角＜ ４５０？
库伦解释是岩石抗剪强度与剪应力和正应力有 关，因此将（１）式改为：
De/dt 常量
撤出应力
t0 t1 t2
t3
时间
永久应变
t4 t5
松弛——保持应变不变，应力随时间而减小。 （相当于降低了岩石的弹性极限） （1）、应力随时间减小，松弛速度急剧下降。 （2）、应力经很长时间后可趋于一极限值
实践证明：在地质上岩石能否在很长时间的极 小差异应力下不断变形，需要一定的温度和压 力条件，因为它一般发生在地壳深层或它具备 有利于蠕变之条件的地方，如某些强变形带中。
剪切 脆性
挠曲
压扁
流动 温度
韧性
熔融 围 压
岩石随P-T条件的变化而呈现 变形习性及相应的主要变形机制
显理 示想 了的 各地 构壳 造一 层段 次剖 构面 造， 样剖 式面
三．岩石变形的时间因素
在地质条件下，岩石变形是长期的，通常要 以百万年为单位，因此评价时间因素对岩石变 形的效应具有关键意义。
σｙ＝０
完全塑性材料。没
有载荷，变形继续
增大。
如果超过屈服点，继 续塑性变形，需施加 更大的应力超过屈服 应力，这个过程称应 变硬化或加工硬化。 经过一段应变硬化的 塑性变形后卸载，应 力－应变曲线回到e２ 表明总的永久变形。
应变硬化
σｙ＞０ σｙ＝０
如果将同样应力继续 加上去，应力－应变 曲线则沿以前路径回 到塑性变形Ｐ位置上 ，好像增大了弹性范 围和增高了屈服应力 （σｙ／）。因此应变 硬化可以看作屈服强 度随递进变形而连续 升高。
《金属材料学》各章小结
图1 钢合金化原理、主线、核心和设计思路2、结构钢复习小结表1 典型结构钢的特点、应用及演变横向图2 材料成分、工艺、组织、性能间的关系3、合金工具钢复习小结表2 典型工具钢的特点、应用及演变图2 铸铁成分、工艺、组织、性能关系图3 铝合金分类和性能特点总复习提要一、主线、核心和“思想”主线：零件服役条件→技术要求→选择材料→强化工艺→组织结构→最终性能→应用、失效。
寻求最佳方案，充分发掘材料潜力。
（1）同一零件可用不同材料及相应工艺。
例：调质钢符合淬透性原则可代用，柴油机连杆螺栓可用40Cr调质，也可用15MnVB；工模具钢，CrWMn、9SiCr、9Mn2V等钢在有些情况下也可考虑代用。
（2）同一材料，可采用不同的强化工艺。
例：60Si2Mn，有常规中温回火，也可等温淬火；T10钢，淬火方法有水、水-油、分级等。
根据不同零件的服役条件，考虑改进工艺，以达到提高零件寿命的目的。
强化工艺不同，组织有所不同，但都能满足零件的性能要求。
通过分析、试验，可得到最佳的强化工艺。
考虑问题不可呆板、机械、照搬书本，不要认为中C就是调质，低合金超高强度钢就是用低温回火工艺。
弹簧钢就是中温回火?其实，60Si2Mn有时也可用作模具。
某些低合金工具钢也可做主轴，GCr15也可制作量具、模具等。
要学活，思路要宽。
提出独特见解，怎样才能做到?核心：核心是合金化基本原理。
这是材料强韧化矛盾的主要因素，要真正理解“合金元素的作用，主要不在于本身的固溶强化，而在于对合金材料相变过程的影响，而良好的作用只有在合适的处理条件下才能得到体现。
”应该主要从强化机理和相变过程两个方面来考虑。
掌握了合金元素的作用，才能更好地理解各类钢的设计与发展，才能更好地采用热处理等强化工艺。
从钢厂出来，钢成分已定。
如何在这基础上充分优化材料的使用性能，关键就在于热处理等处理工艺。
企业中的许多问题都是因为在材料的加工过程中的工艺存在问题。
总结一下常用合金元素的作用、表现是很有必要的。
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：
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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）
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• 第三节 疲劳裂纹扩展速率 a
及扩展门槛值
ac1
体育保健学课件第五章运动性疲劳概述
06 运动性疲劳与运动训练的 关系
运动训练对运动性疲劳的影响
1 2
运动强度
高强度的运动训练更容易导致运动性疲劳的发生。
运动时间
长时间持续的运动训练也会增加运动性疲劳的程 度。
3
运动类型
不同类型的运动训练对运动性疲劳的影响不同， 例如力量训练更容易导致肌肉疲劳，而耐力训练 则更容易导致心肺疲劳。
03 运动性疲劳的心理表现
反应迟钝
运动性疲劳会降低神经系统的反 应速度，使运动员的反应变得迟
钝。
疲劳时，运动员对于刺激的反应 时间延长，动作协调性下降。
反应迟钝会影响运动员在比赛中 的表现，尤其是在需要快速反应
的项目中。
注意力不集中
运动性疲劳会导致大 脑皮层兴奋性降低， 使运动员的注意力难 以集中。
肌肉疲劳
01
02
03
肌肉力量下降
运动过程中，肌肉力量逐 渐减弱，无法维持原有的 运动强度。
肌肉收缩速度减慢
疲劳时，肌肉收缩速度明 显减慢，影响运动表现。
肌肉酸痛和僵硬
长时间运动后，肌肉可能 出现酸痛和僵硬现象，是 肌肉疲劳的典型表现。
神经疲劳
反应迟钝
神经系统疲劳会降低身体 对刺激的反应速度，使人 变得迟钝。
延缓疲劳的发生。
训练安排与恢复
02
合理的训练安排和充分的恢复措施是减少运动性疲劳的重要手
段。
个体差异
03
不同个体对运动训练和运动性疲劳的反应存在差异，需要根据
个体情况制定个性化的训练计划。
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05 运动性疲劳的恢复与预防
休息与睡眠
金属工艺学各章习题及思考题
第一篇机械工程材料基础金属材料的力学性能1．机器零件或构件工作时，通常不允许发生塑性变形，所以多以σS作为强度设计的依据。
(判断)2．一般来说，硬度越高，耐磨性越好，强度也越高。
(判断)3．材料的δ值越大，其塑性就越好。
(判断)4．材料承受小能量的多次重复冲击的能力，主要取决于冲击韧度值，而不是决定于强度。
(判断)5．金属材料发生疲劳断裂前有显著的塑性变形，且断裂是突然发生的，因此危险性很大。
(判断)6．锉刀硬度的测定方法常用（）。
(单选)A、HBS硬度测定法B、HBW硬度测定法C、HRB硬度测定法D、HRC硬度测定法7．表示金属材料屈服点的符号是（）。
(单选)A、σeB、σSC、σbD、σ-18．下列可用来作为金属材料塑性好坏的判据的是（）。
(单选)A、σbB、ψC、HBSD、HRC9．HRC硬度测定法中，所用压头是（）。
(单选)A、φ1、588mm钢球B、1200金钢石圆锥C、锥面夹角为136°的金刚石正四棱锥体D、硬质合金球10．下列说法错误的是（）。
(单选)A、金属材料的强度、塑性等可通过拉伸试验来测定B、普通铸铁可以进行压力加工C、布氏硬度实验测定的数据准确、稳定、数据重复性好D、疲劳强度常用来作为受循环交变载荷作用的零件选材、检验的依据铁碳合金1．金属结晶时，冷却速度越快，则晶粒越细。
(判断)2．金属的同素异晶转变过程实质上也是一种结晶过程。
(判断)3．固溶强化是指因形成固溶体而引起的合金强度、硬度升高的现象。
(判断)4．碳的质量分数对碳钢力学性能的影响是：随着钢中碳的质量分数的增加，其钢的硬度、强度增加，塑性、韧性也随着增加。
(判断)5．钢中磷的质量分数增加，其脆性增加(判断)6．凡是由液体凝固成固体的过程都是结晶。
(判断)7．结晶就是原子从不规则排列（液态）过渡到按一定几何形状做有序排列（固态）的过程。
(判断)8．在其他条件相同时，铸成薄件的晶粒比铸成厚件的晶粒更粗。
(判断)9．在其他条件相同时，浇注时采用振动的铸件晶粒比不采用振动的铸件晶粒更细。
铜的疲劳强度实验
铜具有良好的耐腐蚀性，广泛应用于化 工、石油、船舶等领域
铜具有良好的导热性，广泛应用于热交 换器、散热器等领域
铜在电子电气领域的应用
铜是电子电气领 域中常用的导电 材料，广泛应用 于电线、电缆、 变压器、电机等 设备中。
铜具有良好的导 电性、导热性和 耐腐蚀性，因此 在电子电气领域 中得到广泛应用。
应变
项标题
疲劳寿命：铜的疲 劳寿命较长，能够 长时间保持稳定的
性能
项标题
疲劳极限：铜的疲 劳极限较高，能够 承受较大的应力和
应变
项标题
疲劳性能：铜的疲 劳性能较好，能够 承受较大的应力和 应变，同时保持稳定Βιβλιοθήκη 性能不同条件下铜的疲劳性能比较
项标题
温度对疲劳性能的 影响：温度越高，
疲劳性能越差
项标题
应力对疲劳性能的 影响：应力越大，
裂
疲劳实验的原理和方法
疲劳实验原理： 通过反复施加 载荷，观察材 料在循环载荷 作用下的疲劳 性能
01
实验方法：采 用循环加载方 式，如正弦波、 三角波等
02
实验设备：疲 劳试验机、电 子万能试验机 等
03
实验步骤：加 载、卸载、记 录疲劳寿命等
04
PART 04
实验步骤
准备实验材料和设备
准备实验设备：包括疲劳试 验机、夹具、测量工具等。
探究影响铜疲劳强度的因素
添加标题
铜的化学成分：如铜的纯度、 杂质含量等
添加标题
铜的加工工艺：如热处理、冷 加工等
添加标题
铜的物理性质：如铜的晶粒大 小、晶界分布等
添加标题
铜的使用环境：如温度、湿度、 腐蚀性等
PART 03
实验原理
日本图解机械工学入门系列从零开始学机械工程材料
目录分析
在当今的科技时代，机械工程材料是工业领域中不可或缺的一部分，它涉及 到各种材料的特性和应用，对于机械设计、制造和维修都至关重要。《日本图解 机械工学入门系列从零开始学机械工程材料》这本书，以清晰直观的方式，为读 者打开了机械工程材料的大门。下面，我们将对这本书的目录进行详细分析，以 揭示其内容的深度和广度。
这个章节主要介绍了材料的加工和处理技术，包括铸造、锻造、焊接、切削 加工等。还涉及到材料表面处理技术和3D打印技术等方面的知识。通过这个章节， 读者可以了解如何将原材料加工成所需的机械部件或产品。
这个章节通过实际的案例，详细介绍了机械工程材料在不同领域中的应用， 如汽车、航空航天、船舶、能源等。通过这个章节，读者可以了解到不同领域对 机械工程材料的需求和要求。
值得一提的是，这本书不仅仅停留在材料的介绍上，还深入探讨了材料的内 在性质与外在表现之间的关系。例如，金属的疲劳性能、塑料的应力应变特性等， 这些知识对于理解材料的性能和选择合适的材料至关重要。
《从零开始学机械工程材料》还特别了环保和可持续性问题。在材料的选择 和使用上，如何降低对环境的影响，实现资源的循环利用，成为了一个不可忽视 的话题。书中详细介绍了各种环保材料的特性及应用，引导读者在追求技术进步 的也要人类与自然的和谐共生。
日本图解机械工学入门系列从 零开始学机械工程材料
读书笔记
01 思维导图
03 精彩摘录 05 目录分析
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思维导图
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工学
材料 机械
残余应力对金属疲劳强度的影响
(Shaoxing College of Arts and Sciences , Shaoxing 312000 , China)
Abstract : The effects of residual stresses on high cycle fatigue limit of smoot h specimens could be evaluated by us2 ing Goodman relation wit h residual stress action coefficient m , but it is necessary to indicate t he rational characteristic val2
Key words : Residual stress ; Fatigue ; Surface plastic deformation strengt hening
1 引言
为了提高金属材料和零部件的疲劳抗力 ,工程 技术人员采取了各种措施 ,其中引入有利的残余应 力分布已被证明是有效的方法 。在探讨残余应力对 金属疲劳强度的影响时 ,必须注意这只有在高周疲 劳下才有意义 。因为在低周疲劳的高应变幅下残余 应力将大幅度地松弛 ,所以残余应力对低周疲劳显 示不出多大的作用 。以下讨论均限于高周疲劳 。
结构疲劳
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晶界带照片
第1章 概论
孪晶界处的疲劳裂纹(多晶材料)
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
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夹杂物照片
第1章 概论
夹杂处的疲劳裂纹(4340钢)
南南京京航航空空航航天天大大学学 姚姚卫卫星星©©
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1.2.3 裂纹形成
何为裂纹形成，至今尚无定论。
1.3.1 发展简史
¾ 1920 –1945：这一时期同时还有如下进展：
腐蚀疲劳开始提及 将疲劳分成裂纹形成期和裂纹扩展期 疲劳缺口系数小于应力集中系数，也即Kt > Kf
¾ 1954：两架彗星号飞机失事，从而导致了大规模的研
究和试验计划，包括全尺寸疲劳试验
¾ 1955：提出了安全寿命设计准则 ¾ 50年代：对Miner理论的可靠性提出了疑问，因为临
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第1章 概论
1.2 金属材料疲劳裂纹萌生机制
1.2.1 滑移带的形成 1.2.2 裂纹萌生部位 1.2.3 裂纹的形成 1.2.4 裂纹形成的微观模型
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1.2.1 滑移带形成
第1章 概论
滑移带的形成，可以用四个阶段来描述：
1∘ 在数百到一千周内，位错密度从106cm-2增加 到109cm-2
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第1章 概论
1.3.2 疲劳研究的三个尺度
微观：物理学家 细观：力学家 宏观：力学＋结构设计工作者
物理学
o
A
材料科学
m
宏观力学
mm cm
设计
m 102 103
金属工艺学各章习题及思考题
金属工艺学各章习题及思考题第一篇机械工程材料基础金属材料的力学性能1．机器零件或构件工作时，通常不允许发生塑性变形，所以多以σS作为强度设计的依据。
(判断)2．一般来说，硬度越高，耐磨性越好，强度也越高。
(判断)3．材料的δ值越大，其塑性就越好。
(判断)4．材料承受小能量的多次重复冲击的能力，主要取决于冲击韧度值，而不是决定于强度。
(判断)5．金属材料发生疲劳断裂前有显著的塑性变形，且断裂是突然发生的，因此危险性很大。
(判断)6．锉刀硬度的测定方法常用（）。
(单选)A、HBS硬度测定法B、HBW硬度测定法C、HRB硬度测定法D、HRC硬度测定法7．表示金属材料屈服点的符号是（）。
(单选)A、σeB、σSC、σbD、σ-18．下列可用来作为金属材料塑性好坏的判据的是（）。
(单选)A、σbB、ψC、HBSD、HRC9．HRC硬度测定法中，所用压头是（）。
(单选)A、φ1、588mm钢球B、1200金钢石圆锥C、锥面夹角为136°的金刚石正四棱锥体D、硬质合金球10．下列说法错误的是（）。
(单选)A、金属材料的强度、塑性等可通过拉伸试验来测定B、普通铸铁可以进行压力加工C、布氏硬度实验测定的数据准确、稳定、数据重复性好D、疲劳强度常用来作为受循环交变载荷作用的零件选材、检验的依据铁碳合金1．金属结晶时，冷却速度越快，则晶粒越细。
(判断)2．金属的同素异晶转变过程实质上也是一种结晶过程。
(判断)3．固溶强化是指因形成固溶体而引起的合金强度、硬度升高的现象。
(判断)4．碳的质量分数对碳钢力学性能的影响是：随着钢中碳的质量分数的增加，其钢的硬度、强度增加，塑性、韧性也随着增加。
(判断) 5．钢中磷的质量分数增加，其脆性增加(判断)6．凡是由液体凝固成固体的过程都是结晶。
(判断)7．结晶就是原子从不规则排列（液态）过渡到按一定几何形状做有序排列（固态）的过程。
(判断)8．在其他条件相同时，铸成薄件的晶粒比铸成厚件的晶粒更粗。
工程材料原理及应用第05章再结晶
粗大的晶粒会影响材料的热稳定性， 使材料在高温下容易发生相变和软 化。
形成亚晶结构
亚晶的形成
在再结晶过程中，材料内部的原 子排列可能会形成亚晶结构，这 种结构会导致材料在受力时容易
发生晶格畸变和位错滑移。
力学性能下降
亚晶结构的形成会使材料的力学 性能下降，特别是使材料的强度
和韧性降低。
加工硬化能力差
03
通过改进设备和工艺流程，降低再结晶成本，使其更具经济竞
争力。
再结晶在新能源领域的应用
高效储能材料
再结晶技术可用于制备高性能的储能材料，如锂 离子电池电极材料和超级电容器电极材料。
高效热电转换材料
利用再结晶技术可以制备高效热电转换材料，实 现热能与电能的高效转换。
高效光催化材料
通过再结晶技术可以制备高效光催化材料，用于 光催化分解水制氢和光催化降解有机污染物。
再结晶的驱动力
能量驱动
再结晶过程需要降低系统的能量 ，形核和长大过程中原子迁移需 要克服势垒，因此能量是再结晶 的驱动力。
结构驱动
由于晶体内部原子排列的对称性 、周期性和稳定性，使得晶体在 某些特定条件下更容易形成，这 也是再结晶的驱动力之一。
02
再结晶的影响因素
温度的影响
温度升高时，原子或分子的热运动速度加快，能量增加，晶格畸变程度增大，从 而促进再结晶过程。
轧制
通过轧制金属材料使其发 生塑性变形，使金属材料 变薄、变宽、变长，以提 高其强度和刚度。
锻造
通过锻打金属材料使其发 生塑性变形，以改变其形 状和尺寸，提高其强度和 刚度。
金属材料的加工硬化
喷丸强化
通过高速喷射弹丸对金属材料表面进 行冲击，使其表面发生塑性变形和破 碎，以提高其硬度和耐磨性。
机械零件的疲劳强度
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02
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m lgN0 lgN
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1
lgrNlgr
❖ 2.循环基数Ｎ０ 据材料性质不同Ｎ０取值也不同。通常金属的 Ｎ０取为107，随着材料的硬度↑，Ｎ０↑。有色金属及高强度合 金钢的疲劳曲线没有无限寿命区。
❖ ３. 不同循环特性ｒ时的疲劳曲线如图所示，ｒ↑→σrN↑、 （τrＮ↑）
a(kkN)D1(k1)Dm
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塑性安全区
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第05章金属的疲劳
1．解释下列名词
(1) 应力范围△σ；(2) 应变范围△ε；(3) 应力幅σa；(4) 应变幅(△εt／2，△εe／2，△εp／2)；(5) 平均应力σm；(6) 应力比r；(7) 疲劳源；(8) 疲劳贝纹线；(9) 疲劳条带；(10) 驻留滑移带；(11) 挤出脊和侵入沟；(12)ΔK；(13) da/dN；(14) 疲劳寿命；(15) 过渡寿命；(16) 热疲劳；(17) 过载损伤。
2．解释下列疲劳性能指标的意义
(1)疲劳强度σ-1、σ-1p、τ-1、σ-1N；(2) 疲劳缺口敏感度qf；(3) 过载损伤界；(4) 疲劳门槛值△Kth。
3．试述金属疲劳断裂的特点。
4．试述疲劳宏观断口的特征及其形成过程。
5．试述疲劳曲线(S—N)及疲劳极限的测试方法。
6．试述疲劳图的意义、建立及用途。
7．试述疲劳裂纹的形成机理及阻止疲劳裂纹萌生的一般方法。
8．试述影响疲劳裂纹扩展速率的主要因素，并和疲劳裂纹萌生的影响因素进行对比分析。
9．试述疲劳微观断口的主要特征及其形成模型。
10．试述疲劳裂纹扩展寿命和剩余寿命的估算方法及步骤。
11．试述σ-1与ΔKth的异同及各种强化方法影响的异同。
12．试述金属表面强化对疲劳强度的影响。
13．试述金属循环硬化和循环软化现象及产生条件。
14．试述低周疲劳的规律及曼森一柯芬关系。
15．试述多冲疲劳规律及提高多冲疲劳强度的方法。
16．)试述热疲劳和热机械疲劳的特征及规律；欲提高热锻模具的使用寿命，应该如何处理热疲劳与其它性能的相互关系?
17．正火45钢的σb=610MPa，σ-l=300MPa，试用Goodman公式绘制靠σmax(σmin)一σm疲劳图，并确定σ-0.5、σ0和σ0.5等疲劳极限。
18．有一板件在脉动载荷下工作，σmax=200MPa，σmin =0，其材料的σb=70MPa、σ0.2=600MPa、KIC=104MPa·m1/2，Paris公式中c=6.9×10-12，n=3.0，使用中发现有0.1mm 和
1mm的单边横向穿透裂纹，试估算它们的疲劳剩余寿命。
19．疲劳断口和静拉伸断口有何不同?在什么情况下可以预期疲劳断口在肉眼观察下和静拉伸断口相似?如何从断口上判断载荷大小和应力集中情况。
20．试从疲劳破坏特点解释以下疲劳宏观规律
(a)一般金属材料，无论何种处理状态，其疲劳极限σ-1≈0.3～0.5σb，总低于静载下的屈服强度。
(b)为什么无缺口轴向疲劳极限一定比无缺口旋转弯曲疲劳极限低10％一25％?试举几个有影响的因素
(c)完全对称循环与不对称应力循环相比，为什么σ-1是最低的疲劳强度，而应力比R越大可承受的最大应力σmax越高，或者在相同的σmax晴况下，疲劳寿命越长?
21．什么叫低周疲劳和高周疲劳?为什么高周疲劳多用应力控制，低周疲劳多用应变控制?用应变控制进行低周疲劳试验有哪些优点，取得了哪些有价值的结果?
22．什么是疲劳裂纹门槛值，哪些因素影响其值的大小?它有什么实用价值?
23．对含25.4mm直径的中心圆孔的宽板，孔径与板宽之比为0.2，经受完全对称的拉压疲劳(R=-1)，试利用法则确定失效周次分别为和时的名义拉伸应力。
材料的性能数据为
24．提高零件的疲劳寿命有哪些方法?试就每种方法各举一应用实例，并对这种方法具体分析，其在抑制疲劳裂纹的萌生中起有益作用，还是在阻碍疲劳裂纹扩展中有良好的效果? 25．什么是疲劳短裂纹?在什么情况下短裂纹成为决定零件疲劳寿命的主要因素?
26．试从裂纹闭合效应解释疲劳裂纹扩展第一阶段中应力比的影响以及短裂纹扩展速率较快的原因。
27.缺口零件的寿命分析一般与材料的低周疲劳特性有关，为什么？常用的局部应变法的基本含义是什么？
28. 缺口零件的寿命分析一般与材料的低周疲劳特性有关，为什么？常用的局部应变法的基本含义是什么？。