材料疲劳的定义
第五章__材料的疲劳性能(1)分析
疲劳微裂纹形成的三种形式
表面滑移带开裂解释 1）在循环载荷作用下，即使循环应力未超过材料屈服强 度，也会在试样表面形成循环滑移带 2）循环滑移带集中于某些局部区域（高应力或簿弱区） 3）循环滑移带很难去除，即使去除，再次循环加载时， 还会在原处再现 （驻留滑移带）
特征： 1）驻留滑移带一般只在表面形成，深度较浅，随循环次数 的增加，会不断地加宽 2）驻留滑移带在表面加宽过程中，会出现挤出脊和侵入 沟，在这些地方引起应力集中，引发微裂纹
四：疲劳裂纹扩展速率
试验表明：测量疲劳裂纹长度和循环周数的关系如图
疲劳裂纹扩展曲线
Δσ2﹥Δσ1
从图可知： 1）曲线的斜率da/dN（疲劳裂纹扩展速率）在整个过程中 是不断增长的 2）当da/dN无限增大，裂纹将失稳扩展，试样断裂 3）应力增加，裂纹扩展加快，a-N曲线向左上方移动，ac相 应减小 结论：裂纹扩展速率da/dN 和应力水平及裂纹长度有关 根据断裂力学： 可定义应力强度因子幅为
特征 1）疲劳源区比较光滑（受反复挤压，摩擦次数多） 2）表面硬度因加工硬化有所提高 3）可以是一个，也可能有多个疲劳源（和应力状态及 过载程度有关）
疲劳裂纹扩展区
是疲劳裂纹亚临界扩展的区域
特征 1）断口较光滑，分布有贝纹线（或海滩花样），有时还有 裂纹扩展台阶 2）贝纹线是疲劳区的最典型特征，贝纹线是以疲劳源为圆 心的平行弧线，凹侧指向疲劳源，凸侧指向裂纹扩展方向 3）近疲劳源区贝纹线较密，远离疲劳源区贝纹线较疏
5.2 疲劳破坏机理
一：金属材料疲劳破坏机理
疲劳裂纹的萌生
1）在材料簿弱区或高应力区，通过不均匀滑移， 微裂纹形成及长大而完成 2）定义裂纹长度为0.05—0.10mm时为裂纹疲劳 核，对应的循环周期为裂纹萌生期
金属材料疲劳破坏的机理
一、名词解释1、交变应力：构件中一点应力随着时间变化而变化时，这种应力称为“交变应力”；2、疲劳：在交变应力作用下发生的破坏现象，称为“疲劳失效”或“疲劳破坏”，简称“疲劳”。
疲劳失效与静载作用下的强度失效，有着本质上的差别。
在交变应力作用下，材料的强度性能则不仅与材料有关，而且与应力变化情况、构件的形状和尺寸，以及表面加工质量等因素有着很大关系。
二、疲劳破坏特点1、破坏应力值远低于材料在静载下的强度指标。
2、构件在确定的应力水平下发生疲劳破坏需要一个过程，即需要一定量的应力交变次数。
3、构件在破坏前和破坏时都没有明显的塑性变形，即使在静载下塑性很的材料，也特呈现脆性断裂。
4、同一疲劳破坏断口，一般都明显的两个区域：光滑区域和颗粒区域。
三、疲劳破坏原因以多晶体金属为例，它由很多强弱不等的晶粒所组成，在晶粒边界上或夹杂物处，强度更弱。
在外力作用下，受力较大或强度较弱的晶粒以及晶粒边界上将出现错动的滑移带。
随着应力变化次数的增加，滑移加剧，滑移带变宽，最后沿滑移带裂开，形成裂纹。
这些最初形成的微裂大都是疲劳破坏的发源区，称为“疲劳源”。
再经过若干次应力交变之后，宏观裂纹继续扩展，致使构件截面削弱，类似在构件上作成尖锐的“切口”。
结果，在很低的名义应力（不考虑应力集中时算得的应力），水平下，构件便发生破坏。
裂纹的生成和扩展是一个复杂的过程，它与构件的外形、尺寸、应力交变的类型，以及构件所处的介质等因素有很大关系。
1、应力集中对疲劳极限的影响在构件上截面突变处，如阶梯轴的过渡段、开孔、切槽等处，会产生应力集中现象，即在这些局部区域内，应力有可能达到很高数值。
2、构件尺寸对疲劳极限的影响构件尺寸对疲劳极限有着明显的影响，这是疲劳强度问题与静载强度问题的重要差别之一。
实验结果表明，当构件横截面上的应力非均匀颁布时，构件尺寸越大，疲劳极限越低。
3、构件表面加工质量对疲劳极限的影响粗糙的机械加工，会在构件表面形成深浅不同的刻痕，这些刻痕本身就是初始裂纹。
航空发动机的材料强度与疲劳分析
航空发动机的材料强度与疲劳分析航空发动机作为现代飞机的“心脏”，其性能和可靠性直接关系到飞行的安全与效率。
在航空发动机的设计和制造中，材料强度与疲劳分析是至关重要的环节。
这不仅涉及到发动机能否在极端的工作条件下正常运行，还关系到其使用寿命和维护成本。
首先，我们来了解一下航空发动机所面临的工作环境。
航空发动机在运行时，需要承受高温、高压、高转速等极其苛刻的条件。
燃烧室中的温度可以高达数千摄氏度，同时，压气机和涡轮叶片需要在高速旋转下承受巨大的离心力和气体压力。
在这样的恶劣环境下，材料的强度成为了保证发动机正常工作的关键因素。
材料的强度性能包括抗拉强度、屈服强度、抗压强度等。
以高温合金为例，这种常用于航空发动机的材料具有出色的高温强度和抗氧化性能。
在高温下，材料的原子扩散速度加快，容易导致位错运动和晶界滑移，从而降低材料的强度。
因此，研发具有更高高温强度的材料是航空发动机领域的一个重要研究方向。
然而，仅仅关注材料的静态强度是不够的，疲劳问题同样不容忽视。
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的破坏现象。
对于航空发动机来说，叶片的旋转、气流的冲击等都会导致零件承受循环载荷。
即使材料所承受的应力远低于其静态强度极限，经过长期的循环作用，也可能会产生疲劳裂纹，并逐渐扩展，最终导致零件失效。
影响材料疲劳性能的因素众多。
材料的微观组织、表面粗糙度、残余应力等都会对疲劳寿命产生影响。
例如，细小均匀的晶粒结构通常能够提高材料的疲劳性能；而表面的粗糙度越大，越容易产生应力集中，从而降低疲劳寿命。
此外，发动机在运行过程中的振动、温度变化等也会加剧疲劳损伤。
为了准确评估材料的疲劳性能，研究人员采用了多种方法。
其中，疲劳试验是最直接的手段。
通过对试件进行不同应力水平和循环次数的加载，可以获得材料的疲劳寿命曲线。
同时，基于有限元分析的数值模拟方法也得到了广泛应用。
通过建立发动机零件的三维模型，施加实际的载荷和边界条件，可以预测零件的应力分布和疲劳寿命。
材料疲劳特性参数定义
1
' (σ 'f ) 2 ( σ ∆ε ∆ε f −σm) σ max = (2 N f ) 2b + σ 'f ε 'f (2 N f ) b + c (2 N ) b + ε 'f (2 N f ) c = 2 E 2 E
∆ε σ ′f = (2 N f )b + ε ′f (2 N f )c 2 E
862038102018137tonyheperaglobalcom应变寿命疲劳分析所需参数应变寿命疲劳分析所需参数续应力寿命疲劳分析所需参数铸铁疲劳分析所需参数dangvan疲劳分析所需参数高温疲劳分析所需参数热机械疲劳分析所需参数热机械疲劳分析所需参数续热机械疲劳分析所需参数续热机械疲劳分析所需参数续
应变寿命疲劳分析所需参数（续）
应力寿命疲劳分析所需参数
铸铁疲劳分析所需参数
Dang Van疲劳分析所需参数
高温疲劳分析所需参数
热—机械疲劳分析所需参数
热—机械疲劳分析所需参数（续）
热—机械疲劳分析所需参数（续）
热—机械疲劳分析所需参数（续）
材料疲劳特性参数定义
安世亚太广州分公司 何 欢/Tony He TEL:+8620-38102018-137 tony.he@
应变寿命疲劳分析所需参数
ε= σ
+ ' E K σ n
1
'
∆σ ∆σ n ' ∆ε = + 2 ' E 2K
机械设计中的材料强度与疲劳分析
机械设计中的材料强度与疲劳分析机械设计是一门综合应用技术，旨在设计各种机械设备以满足特定的工程需求。
在机械设计中，材料的强度和疲劳分析是不可或缺的重要步骤。
本文将探讨机械设计中的材料强度与疲劳分析的基本概念及其在实际应用中的重要性。
一、材料强度分析材料强度是指材料在承受外部荷载或应力时的抵抗能力。
材料的强度分析对于机械结构设计至关重要，它决定了材料是否足够强大以抵御外界力量的影响，并保证结构的安全性和可靠性。
1.1 材料的应力-应变关系材料在受到外力作用时，产生内部的应力和应变。
应力是单位面积上的力，应变是单位长度上的形变。
材料的强度可以通过应力-应变关系来描述，其中包括弹性阶段、屈服点、塑性阶段和断裂点。
在机械设计中，通常使用材料的弹性模量、屈服强度、抗拉强度等参数来描述材料的强度。
1.2 材料强度分析方法在机械设计中，材料的强度分析可以通过理论计算、实验测试和数值模拟等方法进行。
理论计算方法是根据材料的弹性模型和力学原理推导出的公式来预测材料的强度。
实验测试方法是通过对材料进行拉伸、压缩、弯曲等试验来获取材料的强度参数。
数值模拟方法是利用计算机软件对材料的行为进行模拟和分析，可以提供更详细的应力、应变分布以及材料的破坏情况。
二、疲劳分析疲劳是指在周期性或交变性荷载作用下，材料发生的逐渐累积的微小损伤和失效现象。
疲劳问题在机械设计中经常出现，尤其对于那些在长时间内承受不断循环荷载的机械零件来说，如汽车发动机的曲轴、飞机的机翼等。
2.1 疲劳失效机理疲劳失效是由于材料在应力循环作用下产生微小的裂纹，随着荷载作用次数的增加，裂纹逐渐扩展，并最终导致材料的断裂。
疲劳失效的机理可以通过S-N曲线来描述，其中S表示应力幅，N表示应力循环次数。
S-N曲线是通过实验测试得到的，它描述了不同应力幅下材料的寿命。
2.2 疲劳寿命预测疲劳寿命预测是机械设计中的重要课题。
它利用S-N曲线和应力历程来预测材料在给定载荷条件下的疲劳寿命。
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。
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。
疲劳强度 屈服强度
疲劳强度屈服强度疲劳强度和屈服强度是材料力学中两个重要的概念。
疲劳强度指的是材料在循环加载下所能承受的最大应力，而屈服强度则是指材料在静态加载下的最大应力。
本文将详细探讨这两个概念的定义、影响因素以及其在工程中的应用。
疲劳强度是指材料在循环加载下出现疲劳破坏的能力。
疲劳破坏是指材料在连续循环加载下，由于应力集中、微裂纹扩展等原因，最终导致材料失效的现象。
疲劳强度的大小取决于材料的性质、加载方式、加载频率等因素。
材料的疲劳强度可以通过疲劳试验来确定，常用的试验方法包括振动试验、拉伸-压缩试验等。
屈服强度是指材料在静态加载下发生塑性变形的最大应力。
屈服强度是材料的重要力学性能参数，用来评估材料的强度和可塑性。
材料的屈服强度可以通过拉压试验来确定，常用的试验方法包括拉伸试验、压缩试验等。
屈服强度的大小取决于材料的组织结构、晶粒大小、材料的处理状态等因素。
疲劳强度和屈服强度的大小一般是不相等的。
对于大多数材料来说，疲劳强度要低于屈服强度。
这是因为在循环加载下，材料容易产生微裂纹、应力集中等缺陷，从而导致疲劳破坏。
而在静态加载下，材料的应力分布相对均匀，缺陷对材料的影响较小，因此屈服强度一般要高于疲劳强度。
疲劳强度和屈服强度受多种因素的影响。
首先是材料本身的性质。
不同材料的疲劳强度和屈服强度差异很大。
一般来说，强度高、韧性好的材料具有较高的疲劳强度和屈服强度。
其次是加载方式和频率。
疲劳强度和屈服强度随着加载方式的不同而有所差异。
对于疲劳强度来说，循环加载下的振动载荷往往比静态加载下的单向载荷更容易引起疲劳破坏。
而对于屈服强度来说，加载速率较快时，材料的屈服强度往往较低。
最后是温度和环境因素。
高温环境下，材料的疲劳强度和屈服强度往往会降低。
疲劳强度和屈服强度在工程中具有重要的应用价值。
在设计和制造中，合理选择材料的疲劳强度和屈服强度是确保产品寿命和安全性的关键。
在结构设计中，需要对材料的疲劳强度进行评估，以确定结构在实际使用条件下的疲劳寿命。
工程力学中如何评估结构的疲劳强度？
工程力学中如何评估结构的疲劳强度？在工程领域中，结构的疲劳强度评估是至关重要的一环。
无论是飞机的机翼、汽车的车架，还是桥梁的钢梁，这些结构在长期承受循环载荷的作用下，都可能会出现疲劳失效的问题。
疲劳失效往往是在应力水平远低于材料的屈服强度时发生的，而且具有突然性和隐蔽性，一旦发生，可能会导致严重的事故和巨大的经济损失。
因此，准确评估结构的疲劳强度对于确保工程结构的安全性和可靠性具有重要意义。
首先，我们需要了解什么是疲劳。
疲劳是指材料或结构在循环载荷作用下，经过一定次数的循环后，产生裂纹并逐渐扩展，最终导致断裂的现象。
循环载荷可以是交变应力、脉动应力或重复应力等。
与静态载荷不同，循环载荷会使材料内部产生微观损伤，并逐渐累积，最终导致结构的破坏。
那么，如何评估结构的疲劳强度呢？这需要从多个方面进行考虑。
材料的疲劳性能是评估结构疲劳强度的基础。
通过材料疲劳试验，可以获得材料的疲劳极限、疲劳寿命曲线等重要参数。
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最大应力值。
疲劳寿命曲线则描述了应力幅与疲劳寿命之间的关系。
这些参数可以为结构的疲劳分析提供重要的依据。
在实际工程中，结构的几何形状和尺寸对疲劳强度有着显著的影响。
例如，尖锐的拐角、缺口和孔等几何不连续处会导致应力集中，从而大大降低结构的疲劳强度。
因此，在设计阶段，应尽量避免这些不利的几何形状，或者采取适当的措施来降低应力集中的程度，如采用圆角过渡、增加加强筋等。
载荷的特性也是评估结构疲劳强度时需要考虑的重要因素。
循环载荷的频率、幅值、波形等都会影响结构的疲劳寿命。
一般来说，载荷幅值越大、频率越高，结构的疲劳寿命就越短。
此外，载荷的加载顺序也可能会对疲劳寿命产生影响。
例如，先加载高幅值载荷再加载低幅值载荷，可能会比先加载低幅值载荷再加载高幅值载荷对结构的损伤更大。
结构的工作环境同样不容忽视。
温度、湿度、腐蚀介质等环境因素会加速材料的疲劳损伤过程。
例如，在高温环境下，材料的强度会降低，疲劳性能也会变差；在腐蚀环境中，材料表面容易产生腐蚀坑，从而引发应力集中，降低疲劳强度。
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。
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材料疲劳的定义
材料疲劳是指材料在受到周期性载荷作用时，随着时间的推移，经历了连续的应力、应变循环后逐渐产生裂纹并扩展，最终导致材料失效的一种现象。
材料疲劳也是一种不可逆的破坏过程，会导致材料的强度、韧性和刚度等性能逐渐下降，最终失去使用价值。
材料疲劳是材料力学和材料科学中的重要研究领域之一，因为它几乎存在于所有材料的使用和制造过程中。
无论是金属、塑料、陶瓷、复合材料还是混凝土等材料，在受到循环载荷作用时，都会出现疲劳现象。
材料疲劳是由于材料内部的微观缺陷，如晶格缺陷、夹杂物、孔隙等，在应力周期变化的作用下，引发材料内部微观结构的变化，从而逐渐积累疲劳损伤和裂纹，最终导致材料疲劳破坏。
材料疲劳的发生机理有很多种，大致可以分为4类：表面疲劳、热疲劳、蠕变疲劳和低周疲劳。
表面疲劳主要是由于表面应力集中和表面微小裂纹的扩展；热疲劳主要是由于高温下的热应力和热膨胀引起的材料内部微观结构变化；蠕变疲劳主要是由于高温下的材料内部蠕变引起的微观变形和微观缺陷的积累；低周疲劳主要是由于低载荷下材料内部晶格和微观结构的变化所致。
材料疲劳的应力和应变循环是其发生和发展的关键因素。
应力循环是指材料受到的载荷在一定范围内周期性地变化，而应变循环则是指材料在受到载荷作用时所产生的应变周期性地变化。
疲劳寿命则是指材料在特定应力或应变循环下能够承受的循环次数，称为疲劳寿命或循环寿命。
材料疲劳的研究不仅对于材料科学和工程学有着重要的理论与实践意义，也是现代工程设计和制造中不可或缺的一环。
通过深入了解材料疲劳机理、疲劳寿命预测和控制，能够有效提高工程材料和产品的寿命和可靠性，为人们的生产和生活带来更多的安全和价值。