材料的疲劳性能
机械工程中的材料疲劳性能研究
机械工程中的材料疲劳性能研究引言机械工程中的材料疲劳性能研究是一个非常重要的领域。
疲劳是指材料在长时间或多次加载下产生的失效现象。
疲劳失效是很多机械故障的主要原因之一，因此对材料的疲劳性能进行研究是提高机械设备可靠性和寿命的关键。
一、疲劳失效过程及机理疲劳失效是材料在受到交变应力或载荷作用下，在应力远小于其破坏强度的情况下发生的。
疲劳失效过程可以分为以下几个阶段：1. 应力集中导致裂纹的形成：在交变载荷的作用下，材料中的应力会集中在应力集中点上。
由于应力超过了材料的强度极限，局部裂纹开始形成并扩展。
2. 裂纹扩展：裂纹一旦产生，就会在材料中不断扩展。
裂纹扩展受到的应力集中会导致裂纹更快地向外扩展。
3. 连接件断裂：当裂纹扩展到一定大小时，由于应力集中效应的不断增强，在裂纹附近的材料变得越来越脆弱。
最终，材料无法承受载荷，发生断裂。
疲劳失效的机理是材料中裂纹的形成和扩展。
在裂纹扩展过程中，材料内部的塑性变形和应力集中效应起到了至关重要的作用。
二、影响疲劳性能的因素材料的疲劳性能受到多个因素的影响，主要包括以下几个方面：1. 材料的组织结构和性质：材料的化学成分、晶体结构以及热处理工艺会对其疲劳性能产生影响。
不同的材料具有不同的疲劳寿命和强度。
2. 加工工艺和形状设计：加工工艺的不当选择会导致材料内部存在缺陷和应力集中点，从而降低疲劳寿命。
此外，设计中的形状参数，如角度和半径等，也会影响疲劳性能。
3. 应力水平和载荷类型：应力水平是指施加在材料上的力的大小，而载荷类型是指施加在材料上的力的频率。
较高的应力水平和频繁的载荷会导致材料更容易发生疲劳失效。
三、疲劳寿命的研究方法疲劳寿命是指材料在给定的载荷水平下能够承受的循环载荷次数。
研究疲劳寿命可以采用以下几种方法：1. 疲劳试验：疲劳试验是最常用的研究疲劳性能的方法之一。
在试验中，材料会受到循环载荷，记录下材料的应力和载荷响应，并观察其失效情况。
2. 数值模拟：数值模拟可以用来预测材料的疲劳寿命。
材料力学中的材料疲劳性能测试技术
材料力学中的材料疲劳性能测试技术材料疲劳性能是指材料在循环加载下的抗疲劳裂纹扩展能力，是评估材料可靠性和寿命的重要指标。
为了研究材料的疲劳性能，科学家们发展了许多测试技术。
本文将探讨几种主要的材料疲劳性能测试技术。
一、旋转梁疲劳试验旋转梁疲劳试验是材料疲劳性能测试的一种常见方法。
试验时，材料样品被固定在旋转梁上，通过施加交变载荷，观察材料在循环加载下的疲劳裂纹扩展情况。
通过测量材料断裂扭矩和载荷周期，可以确定其疲劳寿命和裂纹扩展速率。
二、拉-推疲劳试验拉-推疲劳试验是一种常用的材料疲劳测试方法。
试验时，材料样品被制成拉杆形状，分为拉伸和推压两个阶段。
在循环加载过程中，通过测量材料的载荷和位移，可以得到材料在拉伸和推压过程中的疲劳性能数据，如疲劳强度、残余强度和疲劳寿命。
三、旋转弯曲疲劳试验旋转弯曲疲劳试验是一种用于测试金属材料疲劳性能的方法。
试验时，材料样品被固定在旋转臂上，通过施加旋转和弯曲载荷，观察材料在循环加载下的裂纹扩展行为。
通过测量载荷和位移，可以计算出材料的疲劳寿命和裂纹扩展速率。
四、交变剪切疲劳试验交变剪切疲劳试验是一种测试材料疲劳性能的方法，适用于各种金属和非金属材料。
试验时，材料样品被固定在剪切试验机上，施加正交变剪切载荷，观察材料在循环加载过程中的裂纹扩展情况。
通过测量载荷和位移，可以确定材料的疲劳寿命和剪切裂纹扩展速率。
五、高温疲劳试验高温疲劳试验是一种用于测试材料在高温环境下的疲劳性能的方法。
试验时，材料样品被置于高温环境中，通过施加交变载荷，观察材料在高温下的疲劳裂纹扩展情况。
通过测量载荷、温度以及裂纹扩展速率，可以确定材料在高温环境下的疲劳寿命和性能。
总结：材料疲劳性能测试技术在材料力学中起着重要的作用。
通过旋转梁疲劳试验、拉-推疲劳试验、旋转弯曲疲劳试验、交变剪切疲劳试验以及高温疲劳试验等方法，可以获得材料的疲劳寿命、裂纹扩展速率等关键性能参数，为材料的设计和使用提供参考依据。
材料性能_ 材料的疲劳性能_7-4 疲劳抗力指标_
（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）。
材料的疲劳性能评估与寿命
材料的疲劳性能评估与寿命材料的疲劳性能评估是一个重要的领域，它在工程和科学领域中具有广泛的应用。
评估材料的疲劳性能能够帮助工程师和科学家预测材料在实际使用中的寿命，从而确保材料的可靠性和安全性。
本文将探讨材料的疲劳性能评估方法以及与寿命的关系。
一、疲劳性能的概念疲劳性能指的是材料在受到交变应力作用下，随时间逐渐发生的损伤或破坏。
疲劳性能通常通过疲劳寿命来评估，即材料在特定应力水平下可以承受多少次疲劳循环，直到发生破坏。
疲劳性能的评估对于许多行业来说至关重要，比如航空航天、汽车制造和桥梁建设等。
二、疲劳性能评估方法1. 疲劳试验疲劳试验是评估材料疲劳性能最常用的方法之一。
它通过施加交变载荷，在不同应力水平下进行循环加载，记录材料的变形和裂纹扩展情况。
通过分析试验数据，可以得到材料的疲劳寿命和疲劳强度等参数。
疲劳试验需要考虑许多因素，如载荷频率、温度和湿度等。
2. 数值模拟数值模拟是一种通过计算机仿真来评估材料疲劳性能的方法。
数值模拟可以基于实验数据或材料的力学性质来建立模型，通过加载历史和材料特性来预测疲劳寿命。
数值模拟方法可以提供更快速和经济的评估过程，并且可以帮助优化材料设计。
3. 材料参数估计材料参数估计是一种通过测量材料的组织结构和物理性质来评估疲劳性能的方法。
通过分析材料的晶粒结构、晶界特征和组织形态等参数，可以预测材料的疲劳寿命。
材料参数估计方法需要依赖先进的显微镜技术和材料科学的知识。
三、疲劳性能与寿命的关系材料的疲劳性能与寿命密切相关。
材料的疲劳性能评估可以帮助工程师确定材料在实际工作条件下的可靠性和安全性，并预测材料的使用寿命。
优秀的疲劳性能可以延长材料的使用寿命，提高产品的质量和可靠性。
在实际工程中，为了评估材料的疲劳性能和寿命，需要考虑材料的强度、韧性、断裂韧性和变形能力等因素。
这些因素对于材料的疲劳行为和性能有着重要的影响。
此外，材料的疲劳性能也与环境因素有关。
温度、湿度和腐蚀等环境条件会影响材料的疲劳性能和寿命。
材料的疲劳性能
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。
机件疲劳失效前的工作时间称为疲劳寿命，疲劳断裂寿命随循环应力不同而改变。
应力高，寿命短；应力低，寿命长。
当应力低于材料的疲劳强度时，寿命可无限长。
疲劳性能的名词解释
疲劳性能的名词解释疲劳性能是指材料在循环加载下抵抗疲劳破坏的能力。
在工程领域中，疲劳性能是一个重要的指标，因为大部分工程材料都会承受来自振动、震动、往复负荷等循环加载的作用，而长时间的循环加载容易导致材料疲劳破坏。
材料的疲劳性能由多种因素影响，包括材料的结构、组织、力学性质以及实际应用环境等。
在解释疲劳性能之前，我们需要先了解一下疲劳现象的发生机制。
疲劳破坏是由于材料在交变载荷下，发生了局部的应力和应变集中，导致了微小裂纹的产生和扩展，最终引起裂纹扩展至材料的断裂。
这个过程可以用疲劳寿命曲线来描述，曲线上通常包含着几个特殊阶段。
首先是初始阶段，此时材料受到振动或往复负荷作用的初期，应力集中在材料表面，形成微小裂纹。
其次是传播阶段，随着循环次数的增加，裂纹开始扩展并逐渐影响材料的整体性能。
最后是失效阶段，当裂纹扩展至一定程度，无法再承受正常负载时，材料会发生疲劳破坏。
疲劳性能评价的一个重要参数是疲劳寿命，即材料在特定循环次数下发生疲劳破坏的时长。
疲劳寿命通常由S-N曲线（应力-循环次数曲线）来表示，它显示了材料在不同应力水平下的疲劳寿命。
该曲线上通常有三个关键指标，即疲劳极限、疲劳强度和疲劳极限循环次数。
疲劳极限是指材料在无限次循环加载下不发生疲劳破坏的应力水平，它是材料疲劳性能的重要指标之一。
疲劳强度是指材料在特定的循环次数下能够承受的最大应力水平。
而疲劳极限循环次数表示在特定的应力水平下，材料能够承受多少次循环加载，才会发生疲劳破坏。
材料的疲劳性能受到多种因素的影响。
首先是材料的组织结构，如晶粒大小、晶界特性等。
细小的晶粒和良好的晶界结合会提高材料的疲劳性能。
其次是应力水平和应力幅度，较低的应力水平和较小的应力幅度会延长材料的疲劳寿命。
此外，温度、湿度、腐蚀环境等也对材料的疲劳性能有影响。
为了改善材料的疲劳性能，人们采取了一系列的措施。
例如，通过增加材料的硬度和强度，改变材料的组织结构，提高晶界的结合力等方式来增强材料的疲劳性能。
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。
材料的疲劳性能
应力范围△σ越大 ，则裂纹扩展越快 ， Np、ac越小。
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材料旳疲劳裂纹扩展速率与Δσ和a 有关。 将应力范围△σ与a复合定义为应力 强度因子范围△K ：
K Kmax Kmin Ymax a Ymax a Y a
△K：控制裂纹扩展旳复合力学参量
（1）将a-N曲线上各点旳da／dN 值用图 解微分法或递增多项式计算法计算出来; （2）利用应力强度因子幅(ΔKⅠ)公式将 相应各点旳ΔKⅠ值求出， （3）在双对数坐标系上描点连接即得
在变动载荷作用下，随机件尺寸增大使疲劳强度下降旳现象，称为 尺寸效应，可用尺寸效应系数ε来表达
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三、表面强化及残余应力旳影响
机理：提升机件表面塑变抗力，降低表面旳有效拉应力，即可 克制材料表面疲劳裂纹旳萌生和扩展，有效提升承受弯曲与扭 转循环载荷下材料旳疲劳强度
lgda/dN-lgΔKⅠ曲线。
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lg(da/dN)-lgΔKⅠ曲线：
I区是疲劳裂纹旳初始扩展阶段:
da/dN = 10-8～10-6 mm/周次；
从ΔKth开始，ΔKⅠ↑， da/dN迅 速提升，但ΔKⅠ范围较小，裂纹扩 展有限。
Ⅱ区是疲劳裂纹扩展旳主要阶段，占据亚稳扩展旳绝大部分，是决 定疲劳裂纹扩展寿命旳主要构成部分，da/dN = 10-5～10-2 mm/周次，
第五章 材料旳疲劳性能
§5-1疲劳破坏旳一般规律 §5-2疲劳破坏旳机理 §5-3疲劳抗力指标 §5-4影响材料及机件疲劳强度旳原因 §5-5热疲劳
1
机械零件总是处于不断运动状态
曲轴
连杆
2
第一节 疲劳破坏旳一般规律
一、疲劳破坏旳变动应力
疲劳：工件在变动载荷和应变长久作用下，因累积 损伤而引起旳断裂现象。
机械结构的材料疲劳性能分析与优化设计
机械结构的材料疲劳性能分析与优化设计一、引言机械结构的材料疲劳性能是指在外部荷载的反复作用下，材料所呈现的持续变形、开裂和断裂的特性。
疲劳失效是机械结构工程中的重要问题，对于确保机械结构的可靠性和使用寿命具有重要意义。
本文将对机械结构材料疲劳性能的分析与优化设计进行探讨。
二、疲劳性能分析1. 疲劳强度疲劳强度是材料在一定应力水平下能够承受的循环应力次数。
通常采用S-N曲线（应力-寿命曲线）来描述材料的疲劳强度。
S-N曲线呈现应力和寿命之间的关系，从曲线中可以得到材料的疲劳极限、疲劳断点和疲劳寿命等信息。
2. 循环应力循环应力是指机械结构在工作过程中由于重复受到的载荷引起的应力循环。
循环应力可能导致材料产生疲劳开裂，从而影响机械结构的性能和寿命。
因此，对于机械结构的循环应力进行分析是疲劳性能分析的重要环节。
三、材料疲劳性能的优化设计1. 材料选用与热处理材料的选用是提高机械结构疲劳性能的重要因素之一。
一般来说，高强度、高韧性和耐蚀性良好的金属材料是机械结构的理想选择。
此外，通过适当的热处理工艺可以改善材料的强度和韧性，进一步提高疲劳性能。
2. 结构形式与几何形状优化机械结构的结构形式和几何形状对于疲劳性能有着重要影响。
通过有限元分析等方法，可以对机械结构进行优化设计，使其在受循环应力作用下具有更好的疲劳强度。
例如，通过减少应力集中、改变材料分布和优化结构刚度等方式来改善机械结构的疲劳性能。
3. 表面处理与涂层技术通过表面处理和涂层技术可以改善机械结构的疲劳性能。
表面处理包括喷砂、化学镀和电镀等工艺，可以提高材料的表面光洁度和抗疲劳性能。
涂层技术可以在机械结构表面形成一层保护膜，提高材料的耐蚀性和疲劳寿命。
4. 疲劳寿命预测与监测疲劳寿命的预测与监测对于机械结构的优化设计起到重要作用。
通过寿命预测模型和实验测试手段可以对机械结构的疲劳寿命进行评估，为优化设计提供可靠依据。
同时，监测疲劳裂纹的扩展情况和结构的变形情况可以及时掌握机械结构的疲劳状态，从而采取相应的措施。
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。
材料的疲劳性能
Materials Property and Evaluation
第四章 材料的疲劳性能
一. 疲劳载荷
Materials Property and Evaluation
二、疲劳分类及特点
1. 分类
疲劳定义：机件在变动应力和应变长期作用下， 由于累积损伤而引起的断裂现象。 分类： • (1) 按应力状态不同，可分为：弯曲疲劳、扭转疲劳、 挤压疲劳、复合疲劳 • (2) 按环境及接触情况不同，可分为：大气疲劳、腐 蚀疲劳、高温疲劳、热疲劳、接触疲劳 • (3) 按断裂寿命和应力高低不同，可分为：高周疲劳、 低周疲劳，这是最基本的分类方法
Materials Property and Evaluation
• 高周疲劳特点：断裂寿命较长，Nf>105周次，断裂应 力水平较低，σ<σs，也称低应力疲劳，一般常见的疲 劳都属于此类。 • 低周疲劳特点：断裂寿命较短，Nf=（104-105）周次， 断裂应力水平较高，σ≥σs，往往有塑性应变出现，也 称高应力疲劳或应变疲劳。
Materials Property and Evaluation
Materials Property and Evaluation
Materials Property and Evaluation
Materials Property and Evaluation
Materials Property and Evaluation
Materials Property and Evaluation
2. 特点
（1）疲劳是延时断裂，即具有寿命的断裂 • 断裂应力水平低于材料抗拉强度，甚至低于屈服强度。 • 断裂寿命随应力不同而变化，应力与寿命成反比。 • 当应力低于某一临界值时，寿命可达无限长。 （2）疲劳是脆性断裂 • 由于一般疲劳的应力水平比屈服强度低，所以不论是韧 性材料还是脆性材料，在疲劳断裂前不会发生塑性变形 及有形变预兆， • 它是在长期累积损伤过程中，经裂纹萌生和缓慢亚稳扩 展到临界尺寸ac时才突然发生的。 因此，疲劳是一种潜在的突发性断裂。
材料的疲劳性能与损伤机理
材料的疲劳性能与损伤机理材料的疲劳性能是指材料在连续循环应力作用下出现疲劳破坏的能力。
在实际应用中，大部分材料都需要承受循环载荷，例如机械零件、构筑物、桥梁等。
因此，疲劳性能是材料工程的一个重要研究领域。
材料的疲劳性能与损伤机理密切相关。
疲劳破坏的本质是材料内部微观组织的损伤和破坏。
材料在受到循环应力时，会形成微观的损伤，例如裂纹、位错等。
这些损伤会随着循环次数的增加而逐渐扩展，最终导致材料的疲劳破坏。
材料的疲劳性能受到多种因素的影响，其中最重要的是应力水平、循环次数和材料特性。
应力水平是疲劳破坏的直接原因，循环次数是影响疲劳寿命的关键因素，而材料特性则决定了材料的抗疲劳能力。
材料的抗疲劳能力受到很多因素的影响，例如晶粒大小、晶界、位错密度、夹杂物、气孔等。
这些因素会影响材料的强度、韧性和变形能力，从而影响材料的疲劳寿命。
在材料的疲劳破坏中，裂纹是最常见的损伤形式。
裂纹的产生和扩展是疲劳破坏的核心机理。
裂纹的产生通常发生在材料表面或缺陷处，例如夹杂物、气孔等。
由于循环应力的作用，这些表面或缺陷处的应力会超过材料的极限强度，从而导致裂纹的产生。
裂纹的扩展通常是沿着材料的弱面或位错发展的。
裂纹越长，应力集中作用越明显，扩展速度也就越快。
当裂纹达到一定长度时，材料就会发生疲劳破坏。
材料的疲劳性能的研究可以借助材料科学的诸多方法，如力学测试、金相分析、电子显微镜等。
这些方法可以用来研究材料内部的微观结构和损伤机理。
例如，金相分析可以用来观察材料的微观组织、晶粒大小、晶界和夹杂物等，从而推断材料的抗疲劳能力。
电子显微镜可以用来观察裂纹的形态、跟踪裂纹的扩展速度等，从而研究裂纹的产生和扩展机制。
这些方法的应用可以使疲劳性能的研究更加深入。
总之，材料的疲劳性能是材料工程的重要研究领域。
研究材料的疲劳性能和损伤机理，可以为材料的设计、使用和维护提供重要的科学依据。
复合材料的疲劳性能与性能评估
复合材料的疲劳性能与性能评估在现代工程领域中，复合材料因其优异的性能而备受青睐。
复合材料由两种或两种以上具有不同物理和化学性质的材料组成，通过特定的工艺复合而成，从而具备了单一材料所无法达到的综合性能。
然而，要确保复合材料在实际应用中的可靠性和安全性，对其疲劳性能的研究以及准确的性能评估就显得至关重要。
复合材料的疲劳性能是指材料在循环载荷作用下抵抗疲劳破坏的能力。
与传统的金属材料相比，复合材料的疲劳性能表现出一些独特的特点。
首先，复合材料的疲劳损伤机制更为复杂。
金属材料的疲劳裂纹通常从表面开始，并沿着特定的晶体学方向扩展。
而复合材料由于其多相、多组分的特点，疲劳损伤可能发生在纤维与基体的界面、基体内部、纤维断裂等多个部位，且损伤的发展往往是相互交织的。
其次，复合材料的疲劳性能对加载频率、环境条件等因素更为敏感。
例如，在潮湿或高温环境下，复合材料的性能可能会显著下降，从而影响其疲劳寿命。
此外，复合材料的疲劳性能还具有明显的各向异性，这是由于其纤维的定向排列所导致的。
不同方向上的力学性能差异，使得复合材料在不同加载方向下的疲劳行为也各不相同。
为了准确评估复合材料的疲劳性能，需要采用一系列的试验方法和分析技术。
疲劳试验是最直接、也是最常用的方法之一。
通过对试样施加一定频率和幅值的循环载荷，记录试样在疲劳过程中的应力、应变、裂纹扩展等数据，从而评估材料的疲劳寿命和疲劳强度。
在进行疲劳试验时，需要严格控制试验条件，如加载频率、环境温度和湿度等，以确保试验结果的可靠性。
除了疲劳试验，还可以利用无损检测技术来监测复合材料在疲劳过程中的损伤发展。
常用的无损检测方法包括超声检测、X 射线检测、红外热成像等。
这些技术可以在不破坏试样的情况下，检测到材料内部的缺陷、裂纹等损伤，为疲劳性能的评估提供重要的依据。
在对复合材料的疲劳性能进行评估时，还需要考虑材料的微观结构和制造工艺的影响。
纤维的长度、直径、分布以及基体的性能等微观结构参数都会对复合材料的疲劳性能产生重要影响。
材料性能学第5章
图5-9 F-R再生核模型
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a—交变应力为零，循环开 始时，裂纹处于闭合状态。 b—随拉应力增加，裂纹前 端因解理断裂向前扩展。 c—在切应力作用下，沿 45°方向在很窄范围内产生 局部塑性变形。 d—发生塑性钝化，裂纹停 止扩展。 e—应力为零或进入压应力 周期，裂纹闭合，其尖端重 图5-10 脆性疲劳条带形成过程示意图 新变得尖锐，但裂纹已经向 前扩展了一个条带的距离。
以提高疲劳抗力。 ▶ 晶界开裂产生裂纹
晶界弱化、粗化等也会使晶界开裂。强化、净化、 细化晶界，可提高材料的疲劳抗力。 ▶ 材料内部的缺陷(如气孔、夹杂、分层、各向异 性、相变或晶粒不均匀等)，都会因局部的应力集 中而引发裂纹。
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疲劳裂纹扩展的方式和机理 ▶ 疲劳裂纹扩展，按扩展方向可分为两个阶段
常将0.05~0.10mm的裂纹定义为疲劳裂纹核， 由此来确定疲劳裂纹的萌生期。
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疲劳裂纹一般都萌生于零件的表面，可能有三 个位置： 对纯金属或单相合金，尤其是单晶体，裂纹多 萌生在表面滑移带处，即所谓驻留滑移带的地方。 当经受较高的应力/应变幅时，裂纹萌生在晶 界处，特别是在高温下更为常见。 对一般的工业合金，裂纹多萌生在夹杂物或第 二相与基体的界面上。
在电子显微镜下可显示出疲劳条带。疲劳带是每次循环 加载时形成的。
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图5-7 疲劳条带 (a)韧性条带×1000 (b)脆性条带×600
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► 裂纹扩展的塑性钝化模型(L-S模型)
a—交变应力为零，循环开始时， 裂纹处于闭合状态。 b—拉应力增加，裂纹张开，且 顶端沿最大切应力方向产生滑移。 c—拉应力达到最大时，滑移区 扩大，裂纹顶端变为半圆形，并 停止扩展。裂纹顶端由于塑性变 形产生塑性钝化，应力集中减少。 d—应力反向，滑移方向改变， 裂纹表面被压拢，裂纹顶端弯折 成一对耳状切口。 e—压应力最大值时，裂纹完全 图5-8 韧性疲劳条带形成过程示意图 闭合，并恢复到开始状态。
金属材料疲劳性能的实验研究
金属材料疲劳性能的实验研究引言：金属材料疲劳是一种广泛存在于工程结构和机械设备中的破坏机制。
对于金属材料的疲劳性能进行实验研究，有助于提高材料的可靠性和耐久性，从而延长其使用寿命。
本文将介绍金属材料疲劳性能的实验研究方法以及在实验中需要考虑的因素。
一、疲劳破坏机制的认识金属材料在长时间反复加载下会出现发展到断裂的疲劳破坏现象。
理解材料的疲劳破坏机制对于进行实验研究至关重要。
一般而言，金属材料的疲劳破坏可以分为以下几个阶段：起裂、扩展、失效。
起裂阶段是指当金属材料受到交变载荷时，微裂纹在一定应力条件下产生，并逐渐扩展。
扩展阶段是指由于应力集中等原因，微裂纹开始沿着材料的结构特征扩展，导致材料的强度逐渐降低。
失效阶段则是指裂纹发展达到一定程度，导致材料失效。
二、实验研究方法1. 标准化实验方法为了能够准确地评估金属材料的疲劳性能，国际上已经建立了一系列标准化实验方法，例如ASTM、ISO等。
这些标准试验方法控制了实验参数的选择、加载方式以及数据处理方法，以确保实验结果的可重复性和可比性。
2. 材料选择在进行金属材料的疲劳性能实验时，合适的材料选择非常重要。
一般而言，研究金属材料的疲劳行为通常选择常用的工程金属，如钢、铝合金等。
此外，还需要考虑材料的特性，如强度、韧性等，以保证实验的准确性和可靠性。
3. 实验参数的选择实验参数的选择对于准确评估金属材料疲劳性能至关重要。
实验参数包括载荷幅值、频次、环境条件等。
载荷幅值是指加载循环中最大和最小载荷之间的差值，频次是指加载循环的重复次数。
此外，环境条件，如温度、湿度等也会对实验结果产生影响。
4. 数据处理和分析在实验研究过程中，需要对实验数据进行处理和分析，以得到有意义的结果。
常用的数据处理和分析方法包括维氏硬度测试、改性Bath-Nicoletti方法、疲劳寿命曲线等。
三、实验中需要考虑的因素1. 温度效应温度对金属材料的疲劳性能有着显著影响。
温度低于一定值时，金属材料的疲劳寿命会显著增加。
机械设计中的材料疲劳性能研究
机械设计中的材料疲劳性能研究材料疲劳性能是机械设计中一个重要的研究方向，它对于保证机械设备的安全可靠运行具有重要意义。
疲劳是指在循环载荷下，材料在应力水平远远低于其屈服强度的情况下会发生破裂的现象。
因此，准确评估材料的疲劳性能，对于提高机械设备的使用寿命和安全性具有重要影响。
一、材料疲劳的基本概念与过程材料疲劳是由应力的交变引起的，也就是机械元件在交变载荷作用下所产生的疲劳破坏。
在材料的应力-应变曲线中，材料在应力达到屈服强度之前发生塑性变形，当塑性变形较大时，疲劳寿命会明显缩短。
材料的疲劳损伤通常通过疲劳寿命、疲劳极限等参数来评价。
材料的疲劳过程可分为初期导致损伤的裂纹形成阶段、裂纹扩展阶段和极限破坏阶段。
在初期阶段，由于应力的集中和应力的交变，材料表面会出现微小的裂纹。
随着时间的推移，这些裂纹会扩展并蔓延到整个材料构件中。
最终，在材料失去足够强度以支持承载时，裂纹会发展至极限，造成材料的完全破坏。
二、材料疲劳性能的评估方法为了准确评估材料的疲劳性能，科学家和工程师们发展了多种方法和实验技术。
其中之一是应力-寿命曲线（SN曲线）的绘制。
这种方法通过在特定应力水平下进行一系列循环载荷实验，并记录下载荷循环次数和材料失效的寿命，然后将这些数据绘制成曲线。
通过分析SN曲线的特征，可以得出材料的疲劳行为和疲劳寿命。
另一种常用的评估方法是通过振动试验机进行振动疲劳实验。
在这种实验中，机械零件会受到往复振动的作用，模拟实际工作条件下的循环载荷。
通过记录载荷的振幅、频率和循环次数，可以评估材料的疲劳性能，并估计其寿命。
三、材料疲劳性能的影响因素材料的疲劳性能受多种因素的影响。
首先是材料的物理和力学性质，如强度、硬度、韧性等。
这些性质直接决定了材料在循环载荷下的承载能力和耐久性。
此外，材料的微观结构和组织对疲劳性能也有重要影响。
晶格缺陷、晶粒尺寸和晶体取向等因素都可能导致材料在疲劳过程中的损坏和破坏。
除了材料本身的性质外，外部环境和工作条件也会对材料的疲劳性能产生影响。
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滑ห้องสมุดไป่ตู้带开裂
（1）驻留滑移带 在交变载荷作用下，永留或能再现的循环滑移
带，称为驻留滑移带。 通过位错的交滑移，使驻留滑移带加
（2）挤出脊和侵入沟 滑移带在表面加宽过程中，还会向前或向后移
动，形成挤出峰和挤入槽。 （3）循环过程中，峰、槽不断增加，增高（或变
深）。（柯垂耳-赫尔模型）。 孪晶处也易出现挤出峰和挤入槽。
陶瓷材料的疲劳破坏机理 静态疲劳、循环疲劳和动态疲劳 循环疲劳与金属疲劳具有相同含义，同属长期 变动应力作用下，材料的破坏行为 静态疲劳则相当于金属中的延迟断裂，即在一 定载荷作用下，材料耐用应力随时间下降的 现象 动态疲劳是在恒定速率加载条件下研究材料断 裂失效对加载速率的敏感性。
1、疲劳源 裂纹的萌生地；裂纹处在亚稳扩展过程中。 由于应力交变，断面摩擦而光亮。且表面加工硬化。 随应力状态及其大小的不同，可有一个或几个疲劳源。
2、疲劳区（贝纹区） 断面比较光滑，并分布有贝纹线。 循环应力低，材料韧性好，疲劳区大，贝纹线细、明显。 有时在疲劳区的后部，还可看到沿扩展方向的疲劳台阶
应力低（<σs ），所以也叫低应力疲劳。 低周疲劳（ Nf {102-105}周次），由于断裂 应力水平高， ≥σs ，往往伴有塑性变形， 故称为高应力疲劳（或应变疲劳） 破坏原因 机械疲劳、腐蚀疲劳、热疲劳。
疲劳宏观断口的特征
断口拥有三个形貌不同的 区域：疲劳源、疲劳区、瞬断 区。
随材质、应力状态的不同， 三个区的大小和位置不同。 （表5-1）
疲劳造成的事故
1998年6月3日，德国一列高速列车在行驶中突然 出轨，造成100多人遇难身亡的严重后果。事后经过 调查，人们发现，造成事故的原因竟然是因为一节车 厢的车轮内部疲劳断裂而引起。从而导致了这场近 50年来德国最惨重铁路事故的发生。 2001年11月7日，四川宜宾南门大桥一断为三，造 成两死两伤。专家分析，断桥是多种因素共同作用的 结果：落后的工艺无法杜绝吊索生锈，而过度的金属 疲劳加速了大桥夭折。
第五章
材料的疲劳性能
引言
材料构件在变动应力和应变的长期作用下，由 于累积损伤而引起的断裂的现象——疲劳。
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；
不产生明显的塑性变形，呈现突然的脆断。 疲劳断裂是一种非常危险的断裂。 工程中研究疲劳的规律、机理、力学性能指标、 影响因素等，就具有重要的意义。
（高应力作用）。 3、瞬断区 一般在疲劳源的对侧。 脆性材料为结晶状断口；韧性材料有放射状纹理；边缘
为剪切唇。
疲劳破坏的机理
裂纹萌生
常将0.05-0.1mm的裂纹定为疲劳裂纹核。 引起裂纹萌生的原因：应力集中、不均
匀塑性形变。 方式为：表面滑移带开裂；第二相、夹
杂物与基体界面或夹杂物本身开裂；晶界 或其他界面开裂。
疲劳造成的事故
➢ 2002年5月25日，台湾“中华航空”一架机龄超 过22年的波音747客机坠毁，机上225人全部罹 难。经过五个多月调查，确认机尾下方蒙皮和左 五号门金属疲劳，中油箱下方主结构体出现变形， 是造成机体空中解体的最大因素。
➢ 据150多年来的统计，部件中有80％以上的损坏 是由于疲劳而引起的。在人们的日常生活中，也 同样会发生材料疲劳带来危害的现象。一辆正在 马路上行走的自行车突然前叉折断，造成车翻人 伤的后果。炒菜时铝铲折断、挖地时铁锨断裂、 刨地时铁镐从中一分为二等现象更是屡见不鲜。
晶界处开裂
晶界就是面缺陷； 位错运动易发生塞积，出现应力集中，
晶界开裂。
相界面开裂
两相（包括第二相、夹杂）间的结合力差， 各相的形变速率不同，易在相结合处或弱 相内出现开裂。 只有首先达到临界尺寸的裂纹核，才能继 续长大。
疲劳裂纹扩展过程
1、裂纹扩展的两个阶段 第一阶段： 沿主滑移系，以纯剪切
疲劳破坏的变动应力
max
m min
a
T
一、循环特征：
min
r
max
max
min
;( min max ) ;( max min )
二、平均应力：
t
m
max
min
2
三、应力幅：
a
max
min
2
几种特殊的交变应力：
max
m
t
a min
T
1.对称循环：
r min 1 max
该模型对韧性材料的疲 劳扩展很有用。
材料的强度越低，裂纹 扩展越快，条带越宽
（2）再生核模型 疲劳裂纹的扩展是断
续的。 主裂纹前方是弹塑性
交界点（三向拉应力区） 可形成新裂纹核。主裂 纹和裂纹核之间发生相 向长大、桥接，使主裂 纹向前扩展。
强度高的材料，可形 成解理裂纹。
非金属材料疲劳破坏机理
主要内容
引言 疲劳破坏的一般规律 疲劳破坏机理 疲劳抗力指标 影响材料及机件疲劳强度的因素 热疲劳
疲劳破坏的一般规律
疲劳破坏的变动应力
➢ 工件在变动载荷和应变长期作用下，因积 累损伤而引起的断裂现象，称为疲劳
➢ 工程中的某些构件工作时，其力往往随时 间作周期性变化，这种应力称为循环应力
➢ 例如齿轮上任一齿的齿根处A点的应力，在 传动过程中，轴每转一周该齿啮合一次，A 点的弯曲正应力就由零变到最大值，然后 再回到零。齿轮不停地转动，应力就不断 地作周期性变化，如图。
形成“主导”裂纹。 4.宏观主导裂纹稳定扩展。 5.结构失稳或完全断裂。
疲劳破坏的特点:
1、突发性破坏，呈脆性断裂 2、低应力循环延时断裂 3、对缺陷十分敏感
疲劳分类
应力状态 弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、 复合疲劳等。
环境 腐蚀疲劳、热疲劳、接触疲劳等。 循环周期 高周疲劳（Nf＞105周次）,因断裂
方式向内扩展；扩展速率 仅几十μm数量级。
第二阶段：
在da/dN随N增加的II区。 晶界的阻碍作用，使扩
展方向逐渐垂直于主应力 方向；扩展速率μm级；可 以穿晶扩展。形成疲劳条 带（疲劳辉纹）。一条辉 纹就是一次循环的结果。
2、疲劳裂纹扩展模型 （1）Laird塑性钝化模型
裂纹不再扩展的过程， 称为“塑性钝化”
a max
m 0
max
m a
min mmax min
2.脉动循环：
r min 0 max
am
t
m ax
2
3.静循环：
t
r min 1 max
a 0
m max
疲劳破坏的发展过程:
1.亚结构和显微结构发生变化，从而永久损伤形核。 2.产生微观裂纹。 3.微观裂纹长大并合并，