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
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-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-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。
2021年10月21日 星期四
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
2021年10月21日 星期四
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 课后解答
第一章1.解释下列名词①滞弹性：金属材料在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象称为滞弹性，也就是应变落后于应力的现象。
②弹性比功：金属材料吸收弹性变形功的能力，一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。
③循环韧性：金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力称为循环韧性。
④包申格效应：金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，卸载后再同向加载，规定残余伸长应力增加；反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。
⑤塑性：金属材料断裂前发生不可逆永久（塑性）变形的能力。
⑥韧性：指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。
脆性：指金属材料受力时没有发生塑性变形而直接断裂的能力⑦加工硬化：金属材料在再结晶温度以下塑性变形时,由于晶粒发生滑移, 出现位错的缠结,使晶粒拉长、破碎和纤维化,使金属的强度和硬度升高,塑性和韧性降低的现象。
⑧解理断裂：解理断裂是在正应力作用产生的一种穿晶断裂，即断裂面沿一定的晶面（即解理面）分离。
2.解释下列力学性能指标的意义弹性模量）；（2）ζ p（规定非比例伸长应力）、ζ e（弹性极限）、ζ s（屈服强度）、ζ 0.2（屈服强度）；（3）ζ b （抗拉强度）；（4）n（加工硬化指数）; （5）δ （断后伸长率）、ψ （断面收缩率）4.常用的标准试样有5 倍和10倍，其延伸率分别用δ 5 和δ 10 表示，说明为什么δ 5>δ 10。
答：对于韧性金属材料，它的塑性变形量大于均匀塑性变形量，所以对于它的式样的比例，尺寸越短，它的断后伸长率越大。
5.某汽车弹簧，在未装满时已变形到最大位置，卸载后可完全恢复到原来状态；另一汽车弹簧，使用一段时间后，发现弹簧弓形越来越小，即产生了塑性变形，而且塑性变形量越来越大。
试分析这两种故障的本质及改变措施。
答：（1）未装满载时已变形到最大位置：弹簧弹性极限不够导致弹性比功小；（2）使用一段时间后，发现弹簧弓形越来越小，即产生了塑性变形，这是构件材料的弹性比功不足引起的故障，可以通过热处理或合金化提高材料的弹性极限（或屈服极限），或者更换屈服强度更高的材料。
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
大连理工大学精品课程-材料力学性能-第五章-影响疲劳强度的因素
2020年8月3日星 期一
第五章 金属的疲劳
影 响 因 素
3
工作条件
载荷条件 载荷频率 环境温度 环境介质
表面状态及 尺寸因素
尺寸效应 表面粗糙度 缺口效应
应 应 过次平
力 力 载载均
状 比 情情应
态
况况力
表面处理 材料因素
表面喷丸及滚压
表面热处理
表面涂层 化学成分 组织结构 各向异性 内部缺陷
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2020年8月3日星 期一
第五章 金属的疲劳
喷丸只对承受弯曲、扭转疲劳的机件有用， 对拉压疲劳机件虽可阻止裂纹在表面萌生， 但却助长了裂纹在次表面的萌生，不仅不 利于提高疲劳强度，甚至有害。
滚压和喷丸类似，不过其压应力层深度较 大，适用于大工件，表面粗糙度低时强化 效果更好，但要求工件形状相对简单。提 高疲劳寿命的程度比喷丸要高1倍以上。
第五章 金属的疲劳
试验表明，加载应力低于并接近疲劳极限时，间歇提高疲 劳寿命比较明显，而间歇过载加载对疲劳寿命不但无益，甚至有害。 因为次载时有疲劳强化，间歇有应变时效强化，故能提高疲劳寿命。 而过载造成损伤累积有疲劳弱化，间歇没有效果。次载间歇有一个 最佳的间歇时间，与加载应力的大小有关，应力高，最佳间歇期短， 应力低，最佳间歇期长。间歇间隔周次也有一个最佳值，只有用合 适的间歇时间和最佳的间隔周次进行间歇加载，才会有效提高疲劳 强度和寿命。
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2020年8月3日星 期一
第五章 金属的疲劳
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
件获得表硬心韧的 表面化学热处理
完整版材料力学性能课后习题答案整理
材料力学性能课后习题答案第一章单向静拉伸力学性能1、解释下列名词。
1弹性比功：金属材料吸收弹性变形功的能力，一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。
2．滞弹性：金属材料在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象称为滞弹性，也就是应变落后于应力的现象。
3．循环韧性：金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力称为循环韧性。
4．包申格效应：金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，卸载后再同向加载，规定残余伸长应力增加；反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。
5．解理刻面：这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面。
6．塑性：金属材料断裂前发生不可逆永久（塑性）变形的能力。
脆性：指金属材料受力时没有发生塑性变形而直接断裂的能力韧性：指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。
7.解理台阶：当解理裂纹与螺型位错相遇时，便形成一个高度为b的台阶。
8.河流花样：解理台阶沿裂纹前端滑动而相互汇合,同号台阶相互汇合长大,当汇合台阶高度足够大时,便成为河流花样。
是解理台阶的一种标志。
9.解理面：是金属材料在一定条件下，当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂，因与大理石断裂类似，故称此种晶体学平面为解理面。
10.穿晶断裂：穿晶断裂的裂纹穿过晶内，可以是韧性断裂，也可以是脆性断裂。
沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展，多数是脆性断裂。
11.韧脆转变：具有一定韧性的金属材料当低于某一温度点时，冲击吸收功明显下降，断裂方式由原来的韧性断裂变为脆性断裂，这种现象称为韧脆转变2、说明下列力学性能指标的意义。
答：E 弹性模量 G 切变模量 r σ规定残余伸长应力 2.0σ屈服强度 gt δ金属材料拉伸时最大应力下的总伸长率 n 应变硬化指数 P15 3、 金属的弹性模量主要取决于什么因素？为什么说它是一个对组织不敏感的力学性能指标？答：主要决定于原子本性和晶格类型。
合金化、热处理、冷塑性变形等能够改变金属材料的组织形态和晶粒大小，但是不改变金属原子的本性和晶格类型。
金属的力学性能-第5章__金属的疲劳 2
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二、疲劳现象及特点 1、分类：根据断裂周次高低 (1) 高周疲劳(断裂周次Nf >105) 断裂应力水平较低，σ<σs，也称低应力疲 劳，即通常所说的疲劳——机械疲劳； 高周疲劳定义：材料在低于屈服极限的交 变应力作用下，于超过105循环周次而产生的疲 劳断裂。
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(2) 低周疲劳(Nf＝102－105)
max 2 max 2 分子分母同除 tan m max min 1 r
max
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机件受到短时偶然过载作用后，又回到
正常应力下服役，材料的疲劳极限会发生什 么变化呢？—可能没有变化，也可能降低。 与材料所受的过载应力和相应的累计过 载周次有关。 同时也间接表明了材料抗疲劳过载的能 力的大小。
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第五章 金属的疲劳性能
一些构件在远低于抗拉强度的变动载荷 作用下，经过一定周次之后，会发生突然破 断，但在破断前没有明显的宏观塑性变形-疲 劳破坏。在整个失效件中占80％；
疲劳属低应力循环延时断裂，其断裂应 力水平往往<σb，甚至<σs； 不发生明显的塑性变形，难预防，损失 大。
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元凶是制造飞机机体结构的金属材料产生疲劳。金属机体表面存在细小 的裂纹，飞机增压舱内方形舷窗处的机身蒙皮，在反复的增压和减压冲击下， 不断地来回弯曲变形，使裂纹逐步扩展，反复数次，最终招致金属疲劳断裂。
)。
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1、极限循环振幅图(σ a－σ m疲劳图)
出发点： 用某一应 力比下的 σmax 表 示 该应力比 下的疲劳 极限σr。
已知r， 就可知α。 从 图 中 做出α角 即可。
rB aB mB
1 a 2 ( max min ) 分子和分母同除 max 1 r tan 1 m 1 r ( max min ) 2
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)。
材料力学性能重点总结
名词解释：1加工硬化：试样发生均匀塑性变形，欲继续变形则必须不断增加载荷，这种随着随性变形的增大形变抗力不断增大的现象叫加工硬化。
2弹性比功：表示金属材料吸收弹性变形功的能力。
3滞弹性：在弹性范围内快速加载或卸载后，随着时间延长产生附加弹性应变的现象。
4包申格效应：金属材料通过预先加载产生少量塑性变形（残余应变小于1%-4%），而后再同向加载，规定残余伸长应力增加；反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。
5塑性：金属材料断裂前发生塑性变形的能力。
常见塑性变形方式：滑移和孪生6弹性极限：以规定某一少量的残留变形为标准，对应此残留变形的应力。
7比例极限：应力与应变保持正比关系的应力最高限。
8屈服强度：以规定发生一定的残留变形为标准，如通常以0.2%的残留变形的应力作为屈服强度。
9韧性断裂是材料断裂前发生产生明显的宏观塑性变形的断裂，这种断裂有一个缓慢的断裂过程，在裂纹扩展过程中不断的消耗能量。
韧性断裂的断裂面一般平行于最大切应力并于主应力成45度角。
10脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前基本上不发生塑形变形，没有明显征兆，危害性很大。
断裂面一般与主应力垂直，端口平齐而光亮，常呈放射状或结晶状。
11剪切断裂是金属材料在切应力作用下，沿着滑移面分离而造成的断裂，又分滑断和微孔聚集性断裂。
12解理断裂：是金属材料在一定条件下，当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂，总是脆性断裂。
13缺口效应：由于缺口的存在，在静载荷作用下，缺口截面上的应力状态发生变化，产生所谓“缺口效应“①缺口引起应力集中，并改变了缺口应力状态，使得缺口试样或机件中所受的应力由原来的单向应力状态改变为两向或者三向应力状态。
②缺口使得材料的强度提高，塑性降低，增大材料产生脆断的倾向。
8缺口敏感度：有缺口强度的抗拉强度σbm与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度σb的比值. NSR=σbn / σs NSR越大缺口敏感度越小9冲击韧性：Ak除以冲击式样缺口底部截面积所得之商10冲击吸收功：式样变形和断裂所消耗的功，称为冲击吸收功以Ak表示，单位J11低温脆性：一些具有体心立方晶格或某些秘排立方晶格的金属，当温度降低到、某一温度时，会由韧性状态变为脆性状态，冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集变为穿晶解理，断口特征由纤维状变为结晶状，这种现象称为低温脆性12 脆性转变温度：当温度降低时，材料屈服强度急剧增加，而塑形和冲击吸收功急剧减小。
材料力学性能-课后答案-(时海芳-任鑫)
材料力学性能-课后答案-(时海芳-任鑫)第一章1.解释下列名词①滞弹性：金属材料在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象称为滞弹性，也就是应变落后于应力的现象。
②弹性比功：金属材料吸收弹性变形功的能力，一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。
③循环韧性：金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力称为循环韧性。
④包申格效应：金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，卸载后再同向加载，规定残余伸长应力增加；反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。
⑤塑性：金属材料断裂前发生不可逆永久（塑性）变形的能力。
⑥韧性：指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。
脆性：指金属材料受力时没有发生塑性变形而直接断裂的能力⑦加工硬化：金属材料在再结晶温度以下塑性变形时,由于晶粒发生滑移, 出现位错的缠结,使晶粒拉长、破碎和纤维化,使金属的强度和硬度升高,塑性和韧性降低的现象。
⑧解理断裂：解理断裂是在正应力作用产生的一种穿晶断裂，即断裂面沿一定的晶面（即解理面）分离。
2.解释下列力学性能指标的意义弹性模量）；（2）ζ p（规定非比例伸长应力）、ζ e（弹性极限）、ζ s（屈服强度）、ζ 0.2（屈服强度）；（3）ζ b（抗拉强度）；（4）n（加工硬化指数）; （5）δ （断后伸长率）、ψ （断面收缩率）4.常用的标准试样有5 倍和10倍，其延伸率分别用δ 5 和δ 10 表示，说明为什么δ 5>δ 10。
答：对于韧性金属材料，它的塑性变形量大于均匀塑性变形量，所以对于它的式样的比例，尺寸越短，它的断后伸长率越大。
5.某汽车弹簧，在未装满时已变形到最大位置，卸载后可完全恢复到原来状态；另一汽车弹簧，使用一段时间后，发现弹簧弓形越来越小，即产生了塑性变形，而且塑性变形量越来越大。
试分析这两种故障的本质及改变措施。
答：（1）未装满载时已变形到最大位置：弹簧弹性极限不够导致弹性比功小；（2）使用一段时间后，发现弹簧弓形越来越小，即产生了塑性变形，这是构件材料的弹性比功不足引起的故障，可以通过热处理或合金化提高材料的弹性极限（或屈服极限），或者更换屈服强度更高的材料。
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。
材料力学性能金属的疲劳课件
由于温度变化引起的热应力导致的疲劳。
疲劳的机理
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滑移与位错
在循环应力作用下，金属 内部的滑移面和位错发生 移动，逐渐形成微裂纹。
微裂纹扩展
微裂纹在应力作用下逐渐 扩展，最终导致宏观断裂 。
疲劳断口形貌
疲劳断口通常呈现脆性断 裂的特征，如光滑表面和 放射区。
PART 02
金属的疲劳性能
随机疲劳测试
模拟实际工况中的随机载荷对金属进行疲劳测 试。
断裂力学测试
通过测量裂纹扩展速率来评估金属的疲劳性能。
疲劳数据的处理与评估
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数据整理
对实验数据进行整理，绘制疲劳曲线，分析金属 的S-N曲线。
疲劳极限确定
根据实验结果确定金属的疲劳极限，即金属在一 定循环次数下不发生疲劳断裂的最大应力。
环境因素的影响
•·
在高温环境下，金属材料容易发生蠕变和松弛，导致疲劳强度下降；在腐蚀介质中，金属表面容易发 生腐蚀，产生腐蚀疲劳。因此，在高温或腐蚀环境下工作的金属结构需要进行特殊处理或选择耐腐蚀 材料。
温度的影响
显著影响
温度对金属的疲劳性能有显著影响。在低温环境下，金属材料的脆性增加，可能导致疲劳强度下降；而在高温环境下，金属 材料的抗蠕变性能降低，也会影响疲劳性能。
高速列车车轮的疲劳分析
总结词
高速列车车轮在频繁的制动和加速过程中承受着交变 载荷，对其疲劳性能的分析是保证列车安全运行的关 键。
详细描述
高速列车车轮在运行过程中，由于频繁的制动和加速 ，承受着周期性的交变载荷。这种循环载荷会导致车 轮产生疲劳裂纹，甚至发生断裂。为了确保列车的安 全运行，需要对车轮进行疲劳分析，评估其疲劳寿命 和可靠性。这需要考虑车轮的材料、几何形状、表面 处理、工作环境以及制动和加速模式等因素，采用适 当的疲劳分析方法和实验手段进行验证。
材料力学性能金属的疲劳课件
金属疲劳的宏观机理
金属疲劳的宏观机理主要涉及宏观尺度的物理过程。在循 环应力作用下，金属会发生塑性变形，导致应力集中和微 裂纹的形成。随着时间的推移，这些微裂纹会扩展并连接 起来，最终导致金属断裂。
断口分析
对金属材料的断口进行微观分析，了解其疲 劳断裂机理。
X射线检测
通过X射线检测金属内部的疲劳损伤和裂纹 。
金属疲劳的预测模型
线性累积损伤模型
基于线性累积损伤理论，预测金属的 疲劳寿命和断裂行为。
非线性累积损伤模型
考虑非线性因素，更准确地预测金属 在复杂应力状态下的疲劳寿命。
断裂力学模型
基于断裂力学理论，预测金属的疲劳 裂纹扩展行为和寿命。
钢的疲劳性能和断裂机制。
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金属材料的晶体结构和相组成
金属材料的晶体结构和相组成对其疲劳性能也有重要影响，例如多相合金的疲劳性能受各相比例和相界面的影响 。
应力状态和应力集缺陷引起的应力集中现象，会 显著降低金属的疲劳性能。
应力状态
金属在复杂应力状态下的疲劳行 为与单轴应力状态下存在差异， 例如在多轴应力状态下，金属的 疲劳强度可能会降低。
压力容器接管的低周疲劳失效分析
压力容器接管在循环载荷下容易发生低周疲劳失效，这种失效通常与接管的几何形 状、材料特性、应力水平和循环特性等因素有关。
低周疲劳失效通常表现为接管局部区域的塑性变形和裂纹萌生，这些裂纹会随着循 环次数的增加而逐渐扩展，最终导致接管断裂。
分析压力容器接管的低周疲劳失效问题，需要综合考虑接管的应力分布、应变状态 、循环次数和温度等因素，以评估接管的疲劳寿命和安全性。
金属的疲劳
3、瞬时断裂区：
⑴特征：同静载断口。脆材为结晶状，韧
材为纤维状、暗灰色、边沿有剪切唇。
⑵形成原因：随裂纹扩展，当a＝ac 时，
KⅠ= KⅠC,裂纹将失稳扩展，形成瞬断区。图
⑶影响：
◆一般在疲劳源对侧。
◆旋转弯曲时，瞬断区的位置沿逆旋转方向偏 转一定角度。
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◆应力大，瞬断区便大。
◆材质韧性差，为结晶状断口；韧性好则在中 间平面应变区为放射状或人字纹，边沿为剪切唇。 ◆扭转循环载荷：均看不见贝纹线。如图所示 正断：与轴线呈45°角，锯齿状或星形状。
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⑶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。
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三、疲劳宏观断口特征
疲劳断裂和其它断裂一样，其断口上保留了整
又称维勒曲线。
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分两类：如图所示 ◆曲线上有明显的水平部分。试样可以经受无限 次应力循环也不发生疲劳断裂的最大应力称为疲劳 极限。记为σ-1。 这类材料如果应力循环107 周次不断裂，则可
认定承受无限次应力循环也不会断裂，所以常将
Kt －理论应力集中系数，为缺口净截面上的 最大应力σmax 与平均应力σ之比，可从有关手册 中查到，Kt>1； Kf －疲劳缺口系数，为光滑试样和缺口试样 疲劳极限之比，即
拉压、扭转疲劳极限的具体数据时，必须做相关
试验。
一般情况下：σ-1>τ-1 >σ-1p， 分析原因 ？
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（四）疲劳极限与静强度之间的关系
试验表明，金属材料的抗拉强度越大，其疲劳
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。
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飞机舷窗
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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。
波动应力 σm>σa,0<r<1
不对称交变应力 -1<r<0
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图 循环应力的类型 a)、e) 交变应力 b)、c)、d) 重复循环应力
几种常见的承受循环应力的构件
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随机变动应力
循环应力呈随机变化，如运行时因道 路或云层的变化，汽车、拖拉机及飞 机等的零件，工作应力随时间随机变 化。
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5.1 金属疲劳现象及特点
5.1.1 变动载荷和循环应力
变动载荷是指载荷的大小、方向随时间变化的载
荷，其单位面积上的平均值为变动应力。 变动应力可分为周期变动应力（也称循环应力）
和无规则随机变动应力。
生产中机件正常工作时，其变动应力多为循环应 力。
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图 变动应力示意图 a)应力大小变化 b)、c)应力大小及方向都变化 d)应力大小及方向无规则的变化
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图 农用挂车前轴的载荷谱
5.1.2 疲劳现象及特点
金属机件在变动应力和应变长期作用下，由
于积累损伤而引起的断裂现象称为疲劳。
疲劳的破坏过程是材料内部薄弱区域的组织 在变动应力作用下，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 损伤累积，最终引起整体破坏的过程。
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▪1998年6月3日，德国发生了一起惨重的铁路交通事故。 一列高速列车脱轨，造成100多人遇难。
一个车轮的轮箍发生断裂，导致车 轮脱轨，进而造成车厢横摆，横摆 的车厢以其巨大的力量将桥墩撞断 ，造成桥梁坍塌，压住了通过的列 车车厢，并使已通过桥洞的车头及 前5节车厢断开，而后面的几节车 厢则接二连三地撞在坍塌的桥体上 。
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
的断口上也显示出疲劳源、疲劳裂纹扩展区与瞬时断裂 区的特征。
第五章 金属的疲劳
江苏科技大学 材料科学与工程学院
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想一想
人工作久了就会感 到疲劳，难道金属 工作久了也会疲劳 吗？ 金属的疲劳能得到 恢复吗？
Fatigue
▪金属材料在受到交变应力或重复循环应力时，经一定循环 次数后，往往在工作应力小于屈服强度的情况下突然断裂 ，这种现象称为疲劳。
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疲劳类型
表 高周疲劳和低周疲劳对比
类别 断裂寿命
周次（Nf）
高周疲劳 （低应力疲劳）
较长
>105
低周疲劳 （高应力疲劳）
较短
102～105
应力水平
较低 σ<σs
较高 σ>σs
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疲劳的特点
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。
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2007年11月2日，一架美军 F-15C鹰式战斗机在做空中 缠斗飞行训练时，飞机突然凌空解体，一份调查结果表 明，飞机的关键支撑构件——桁梁出现了金属疲劳问题 。实用文档
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本章主要内容
1、金属疲劳现象及特点 2、疲劳曲线及基本疲劳力学性能 3、疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值 4、疲劳过程及机理 5、影响疲劳强度的主要因素 6、低周疲劳
金属“疲劳”一词，最早是由法国学者J-V彭赛（Panelet） 于1839年提出来的。
1850年德国工程师沃勒（A.Woler)设计了第一台用于机车 车轴的疲劳试验机，用来进行全尺寸机车车轴的疲劳试验。
1871年沃勒系统论述了疲劳寿命和循环应力的关系，提出
了S-N曲线和疲劳极限的概念，确立了应力幅是疲劳破坏
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疲劳形式的分类
可按不同方法对疲劳形式分类。
❖ 按应力状态分：弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳 、接触疲劳及复合疲劳；
❖ 按环境和接触情况分：大气疲劳、腐蚀疲劳、高 温疲劳、热疲劳及接触疲劳等。
❖ 按应力高低和断裂寿命分：高周疲劳和低周疲劳 。
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高周疲劳和低周疲劳
按应力高低和断裂寿命分,最基本的分类方法。
循环应力及其特征参量
循环应力的波形有正弦波、矩形波和三角波等。 表征应力循环特征的参量有：
❖最大循环应力σmax，最小循环应力σmin ❖平均应力:σm=(σmax+σmin)/2 ❖应力幅或应力范围:σa=(σmax-σmin)/2 ❖应力比:r=σmin/σmax
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常见的循环应力
脉动应力 σm=σa>0,r=0 σm=σa<0,r=-∞ 对称交变应力 σm=0,r=-1
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。
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“彗星”号是世界上第一种正式投入航线运营的民用喷气 客机。然而从1953年5月至1954年4月的11个月中，竟有３ 架“彗星号”客机在空中解体，机毁人亡。事故分析表明 ，其中两次空难的原因是飞机密封座舱结构发生疲劳所致 ，飞机在多次起降过程中，其增压座舱壳体经反复增压与 减压，在矩形舷窗窗框角上出现了裂纹引起疲劳断裂。针 对这个问题，英国德·哈维兰公司对“彗星”号飞机进行 了改进设计，加固了机身，采用了椭圆形航窗，使疲劳问 题得到很好的解决。
的决定因素，奠定了金属疲劳的基础。
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金属疲劳是十分普遍的现象，例如火车的车轴是 典型的承受弯曲疲劳，汽车的传动轴主要是承受 扭转疲劳等。
据150多年来的统计，金属部件中有80％以上的断 裂是由于疲劳而引起的，极易造成人身事故和经 济损失，因此认识疲劳现象、研究疲劳破坏规律、 提高疲劳抗力、防止疲劳失效是非常重要的。