材料力学第9章 材料的疲劳性能[精]
材料力学性能与应用总结
材料力学性能与应用总结材料力学性能是材料在各种外力作用下所表现出的行为和特性，它对于工程设计、材料选择以及产品质量控制等方面都具有极其重要的意义。
不同的材料具有不同的力学性能，这些性能决定了它们在特定应用中的适用性和可靠性。
首先，让我们来了解一下材料的强度性能。
强度是材料抵抗外力而不发生破坏的能力。
常见的强度指标包括屈服强度、抗拉强度和抗压强度。
屈服强度是指材料开始产生明显塑性变形时的应力值。
比如说，在建筑结构中使用的钢材，其屈服强度就是一个关键的参数。
如果钢材的屈服强度不够高，那么在承受较大荷载时，结构就可能发生变形甚至坍塌。
抗拉强度则是材料在拉伸过程中能够承受的最大应力，像制造绳索和钢丝的材料，就需要有较高的抗拉强度，以确保在承受拉力时不会断裂。
抗压强度则对于承受压力的结构部件，如柱子和桥墩等，具有重要的参考价值。
接下来是材料的塑性性能。
塑性是材料在断裂前产生永久变形的能力。
通常用伸长率和断面收缩率来衡量。
具有良好塑性的材料，如铜和铝，在加工过程中可以通过塑性变形来制成各种形状复杂的零件。
而且，在一些需要吸收能量的场合，如汽车的防撞部件，塑性好的材料能够通过变形来吸收碰撞能量，从而减轻对人员的伤害。
材料的硬度也是一项重要的力学性能指标。
硬度反映了材料抵抗局部变形，特别是表面压痕和划痕的能力。
硬度测试方法多种多样，如布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等。
在机械加工中，硬度对于刀具的选择以及加工工艺的制定起着关键作用。
例如，加工硬度较高的材料时，需要使用更耐磨的刀具，并采用较慢的切削速度。
材料的韧性则表示材料在断裂前吸收能量的能力。
韧性好的材料，如一些高强度合金钢，能够在承受冲击和振动载荷时不发生脆性断裂。
这在航空航天、机械制造等领域尤为重要，因为这些领域的零部件往往需要在复杂和恶劣的工作环境下运行。
再说说材料的疲劳性能。
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断裂的现象。
许多机械零件，如齿轮、轴等，在工作过程中都承受着循环载荷。
材料力学课件第九章动荷载交变应力
交变应力的基本计算方法
平均应力和应力幅
交变应力由大小不断变化的瞬时应力 组成，平均应力是交变应力的时间平 均值，应力幅是交变应力的最大值和 最小值之差。
交变应力的分类
交变应力的疲劳强度
交变应力作用下，材料会发生疲劳断 裂，疲劳强度是衡量材料抵抗疲劳断 裂能力的指标。
详细描述
风荷载和地震荷载是常见的外部动荷载，它们的作用会导致桥梁、大坝、高层建筑等结构的振动，从 而产生交变应力。此外，车辆的行驶也会对桥梁等结构产生动荷载和交变应力。这些动荷载和交变应 力的影响需要考虑在结构设计阶段，以确保结构的强度和稳定性。
航空航天工程中的动荷载与交变应力问题
要点一
总结词
要点二
详细描述
航空航天工程中，由于飞行器的高速运动和复杂环境，会 产生严重的动荷载和交变应力问题。
飞行器在高速飞行过程中，由于气动力的作用会产生动荷 载，同时由于飞行姿态的变化、发动机工作等也会产生交 变应力。此外，在火箭发射过程中，由于推进剂燃烧产生 的振动和冲击，也会对箭体产生动荷载和交变应力。这些 动荷载和交变应力的影响需要考虑在飞行器的设计阶段， 以确保飞行器的安全性和可靠性。
动荷载与交变应力的产生原因
01
02
03
自然现象
如地震、风载等自然现象 产生的动荷载和交变应力 。
机械振动
机械设备运转、车辆行驶 等产生的振动和冲击。
人为因素
如建筑物的施工、设备的 安装和运行等也会产生动 荷载和交变应力。
02
动荷载与交变应力的影响
对材料性能的影响
短期效应
动荷载和交变应力会导致材料在短期内出现弹性变形和塑性变形，影响材料的 刚度和强度。
材料力学性能课件
温度与环境因素
应变速率与加载路径
应变速率和加载路径对材料的力学响 应具有重要影响，特别是在动态加载 条件下。
温度、湿度、腐蚀等环境因素对材料 的强度和塑性也有影响。
03 材料的硬度与韧性
硬度定义与分类
硬度定义
硬度是指材料抵抗被压入或刻划的能力。它是材料表面局部区域抵抗变形或破裂 的能力。
硬度分类
塑性ห้องสมุดไป่ตู้类
根据塑性变形的性质，可分为延性、 展性、韧性等。
强度与塑性的关系
01
强度与塑性相互关联，塑性好的 材料通常强度也较高，但两者之 间并非完全正相关。
02
在一定条件下，材料的强度和塑 性可能存在此消彼长的关系。
强度与塑性的影响因素
材料成分与组织结构
材料的化学成分和微观组织结构对其 力学性能有显著影响。
冲击试验
通过冲击试样来测定材料的冲击韧性、断裂 韧性等参数，适用于评估材料的韧性和脆性 断裂行为。
D
02 材料的强度与塑性
强度定义与分类
强度定义
材料抵抗外力而不发生失效的能力。
强度分类
根据外力类型，可分为抗拉强度、抗压强度、抗剪强度等。
塑性定义与分类
塑性定义
材料在外力作用下发生不可逆变形的 能力。
材料力学性能的测试方法
A
拉伸试验
通过拉伸试样来测定材料的弹性模量、屈服强 度、抗拉强度等参数，是最常用的力学性能测 试方法之一。
压缩试验
通过压缩试样来测定材料的抗压强度、弹 性模量等参数，适用于脆性材料和塑性材 料的测试。
B
C
弯曲试验
通过弯曲试样来测定材料的抗弯强度、挠度 等参数，适用于评估材料的弯曲性能和稳定 性。
材料力学中的断裂和疲劳分析
材料力学中的断裂和疲劳分析在工程领域中，对材料的强度和耐久性进行评估和分析是至关重要的。
而在材料力学中，断裂和疲劳分析是两个重要的研究方向。
本文将从理论和应用两个方面，介绍材料力学中的断裂和疲劳分析。
首先，我们来介绍断裂分析。
断裂是指在外部加载下，材料的破坏。
断裂分析的目的是通过研究材料的断裂机制，预测和防止材料的破坏。
断裂分析的核心是断裂力学，它通过分析应力场、应变场和裂纹尖端处的应力强度因子来揭示裂纹扩展的行为。
在断裂力学中，有两个经典理论被广泛应用：线弹性断裂力学和弹塑性断裂力学。
线弹性断裂力学适用于处理材料的线弹性阶段，即只存在弹性变形，不发生塑性变形的情况。
而弹塑性断裂力学则适用于材料同时发生弹性和塑性变形的情况。
对于断裂力学的研究，一个重要的参数是断裂韧性。
断裂韧性是描述材料抵抗裂纹成长的能力，通常通过KIC来表示。
KIC是裂纹尖端处单位断裂韧性的衡量指标，一般情况下，KIC越大，材料的抗裂纹扩展能力越强。
断裂韧性的评估对于确保材料的可靠性和耐久性至关重要。
接下来，我们来了解疲劳分析。
疲劳是指在循环加载下，材料经历应力的反复变化而引起的破坏。
疲劳是材料工程中非常常见的一种破坏模式，因此对于疲劳强度的评估和分析也是非常重要的。
疲劳分析的核心是疲劳强度理论。
常见的疲劳强度理论有极限应力理论、极限变形理论和能量理论等。
这些理论通过对应力和应变历程的分析，确定了材料的疲劳强度边界，从而指导工程实践中的材料选择和设计。
除了理论研究，疲劳分析中还有实验方法。
疲劳试验是评估材料疲劳性能的重要手段。
通过在标准试样上施加循环加载，可以测定材料的疲劳寿命和疲劳强度。
这些试验结果可以为工程实践中的疲劳分析提供可靠的参考。
近年来，随着计算机技术的快速发展，有限元分析成为疲劳分析的重要方法之一。
有限元分析可以通过数值计算模拟材料在复杂载荷下的应力和应变分布情况，从而预测材料的疲劳寿命和破坏位置。
这一方法不仅减少了试验成本和时间，还提高了分析的准确性和可靠性。
材料力学课件-第九章动荷载交变应力
一．几个基本概念
１．自由振动—在铅垂外力作用下， 使梁离开静平衡位置振动 若 mL mP 时，梁视为无质量的弹性体 若计 m L 时，为无限自由度体系
静平衡位置 最大位移位置
图例及符号
２．受迫振动—在重物处（或自由端） 作用一沿铅垂方向且随时间作周期 变化的干扰力而使梁发生振动 最大位移位置 静平衡位置 重物，质量 m L 梁，质量
3
P
2001.07
P
st
东南大学远程教育
1 n 2 c 2 n 2 1 4
d max
第三节
构件在受迫振动时的应力计算
n
干扰力的频率
n 2f
振动系统的固有频率，
c
k 1 g g m m W st
阻尼系数
2001.07
东南大学远程教育
第四节
构件在受冲击时应力和变形的计算
由于在冲击过程中，冲击物的 速度在短时间内发生变化，不 易确定，另外，从理论上对被 A 冲击物的冲击应力、变形作精 确分析也是复杂的。本处，仅 一种介绍偏于安全的简化方法。
方向与加速度方向相反
沿杆轴加上惯性力 qd x 后，即可按分布静荷载作用下的拉杆来计算 杆AB内的动应力 d 。
2001.07 东南大学远程教育
第二节 构件作等加速直线运动 或等速转动时的动应力计算
显然，杆AB内的最大动应力发生在B端的横截面上，其值 为 1 1 D 2 A2 d max xdx D 2 A g
2001.07 东南大学远程教育
第四节
构件在受冲击时应力和变形的计算
2 st
2h d st 2h st 1 1 st st
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。
材料疲劳测试
材料疲劳测试材料疲劳测试是指在材料受到交变载荷作用下，通过对其进行疲劳试验，来评价材料在疲劳加载下的耐久性能。
疲劳是指在交变应力作用下，材料在一定的应力幅值下发生断裂的现象。
材料的疲劳性能对于工程结构的安全性和可靠性具有重要的影响，因此疲劳测试是材料力学研究中的重要内容之一。
疲劳测试的目的是为了评价材料在疲劳加载下的性能，预测材料的寿命和耐久性。
在进行疲劳测试时，首先需要确定材料的疲劳极限，即材料在疲劳加载下的最大承载能力。
其次，需要确定材料的疲劳寿命，即材料在一定应力幅值下能够承受的循环次数。
通过疲劳测试可以得到材料的疲劳曲线，从而分析材料在疲劳加载下的性能表现。
疲劳测试的方法主要有拉伸-压缩疲劳测试、弯曲疲劳测试、扭转疲劳测试等。
在进行疲劳测试时，需要根据材料的使用条件和实际工况选择合适的测试方法。
在测试过程中，需要控制载荷的幅值、频率和循环次数，以模拟实际工况下的疲劳加载情况。
通过对材料进行疲劳测试，可以评价材料的疲劳性能，并为工程结构的设计和使用提供参考依据。
疲劳测试的结果可以用于指导材料的选择和设计，提高工程结构的安全性和可靠性。
通过对不同材料进行疲劳测试，可以比较它们在疲劳加载下的性能差异，从而选择合适的材料用于工程结构。
同时，疲劳测试也可以用于评价材料的使用寿命和耐久性，预测材料在实际工况下的性能表现。
总之，材料疲劳测试是评价材料在疲劳加载下性能的重要手段，对于提高工程结构的安全性和可靠性具有重要意义。
通过疲劳测试可以评价材料的疲劳性能，为工程结构的设计和使用提供参考依据。
因此，在材料力学研究和工程实践中，疲劳测试具有重要的意义，需要引起足够的重视和关注。
材料力学性能指标
材料力学性能指标材料力学性能指标是评价材料力学性能优劣的重要标准，它直接影响着材料的使用范围和性能表现。
在工程实践中，材料力学性能指标的选择和评价对于材料的选用、设计和应用起着至关重要的作用。
本文将从材料的强度、韧性、硬度、塑性和疲劳性能等方面，对材料力学性能指标进行介绍和分析。
首先，材料的强度是衡量材料抵抗外部力量破坏的能力。
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的最大承载能力，抗压强度是材料在受压状态下的最大承载能力，而抗弯强度则是材料在受弯状态下的最大承载能力。
这些强度指标直接反映了材料在外部力作用下的抵抗能力，是评价材料质量的重要依据。
其次，材料的韧性是衡量材料抵抗断裂的能力。
韧性指标包括断裂韧性、冲击韧性等。
断裂韧性是材料在受拉伸或受压状态下的抗断裂能力，而冲击韧性则是材料在受冲击载荷作用下的抗破坏能力。
韧性指标反映了材料在受外部冲击或载荷作用下的抗破坏能力，是评价材料耐用性和安全性的重要指标。
此外，材料的硬度是衡量材料抵抗划痕或压痕的能力。
硬度指标包括洛氏硬度、巴氏硬度、维氏硬度等。
这些硬度指标直接反映了材料表面的抗划痕和抗压痕能力，是评价材料表面耐磨性和耐磨损性的重要指标。
再次，材料的塑性是衡量材料抵抗变形的能力。
塑性指标包括屈服强度、延展率、收缩率等。
屈服强度是材料在受拉伸或受压状态下开始发生塑性变形的能力，延展率是材料在拉伸过程中的变形程度，而收缩率则是材料在冷却或凝固过程中的变形程度。
这些塑性指标反映了材料在受外部载荷作用下的塑性变形能力，是评价材料加工性和成形性的重要指标。
最后，材料的疲劳性能是衡量材料抵抗疲劳破坏的能力。
疲劳性能指标包括疲劳极限、疲劳寿命等。
疲劳极限是材料在循环载荷作用下的最大承载能力，疲劳寿命则是材料在循环载荷作用下的使用寿命。
这些疲劳性能指标反映了材料在循环载荷作用下的抗疲劳破坏能力，是评价材料使用寿命和安全性的重要指标。