金屬材料的力學(xué)性能

1、第一章 金屬材料的力學(xué)性能,使用性能：材料在使用過程中所表現(xiàn)的性能。包括力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能。工藝性能：材料在加工過程中所表現(xiàn)的性能。包括鑄造、鍛壓、焊接、熱處理和切削性能等。金屬材料的力學(xué)性能是指在承受各種外加載荷（拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊、交變應(yīng)力等）時(shí)，對變形與斷裂的抵抗能力及發(fā)生變形的能力。,概 述,材料在外力的作用下將發(fā)生形狀和尺寸變化，稱為變形。外力去處后能夠恢復(fù)的變形稱為彈性變形。外力去處后

2、不能恢復(fù)的變形稱為塑性變形。,力學(xué)性能,材料在力的作用下，諸如不同載荷所造成的彈性變形、塑性變形、斷裂（脆性斷裂、韌性斷裂、疲勞斷裂等）以及金屬抵抗變形和斷裂能力的衡量指標(biāo)。常用的力學(xué)性能有：強(qiáng)度、剛度、彈性、塑性、硬度、沖擊韌性及疲勞極限等。,強(qiáng)度與塑性,強(qiáng)度是指金屬材料在靜載荷作用下，抵抗塑性變形和斷裂的能力。塑性是指金屬材料在靜載荷作用下產(chǎn)生塑性變形而不致引起破壞的能力。金屬材料的強(qiáng)度和塑性的判據(jù)可通過拉伸試驗(yàn)測定。,一、拉

3、伸實(shí)驗(yàn),（GB/T228-2002）,,1. 拉伸試樣（GB6397-86）,長試樣：L0=10d0,短試樣：L0=5d0,返 回,上一頁,下一頁,回主頁,,,,,萬能材料試驗(yàn)機(jī) a) WE系列液壓式 b) WDW系列電子式,2. 力－伸長曲線,彈性變形階段,屈服階段,頸縮現(xiàn)象,拉伸試驗(yàn)中得出的拉伸力與伸長量的關(guān)系曲線。,強(qiáng)化階段,返 回,上一頁,下一頁,回主頁,,(a)試樣 (b)伸長 (c)

4、產(chǎn)生縮頸 (d)斷裂,拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象,,3. 脆性材料的拉伸曲線（與低碳鋼試樣相對比）,脆性材料在斷裂前沒有明顯的屈服現(xiàn)象。,返 回,上一頁,下一頁,回主頁,應(yīng)力? = P/F0應(yīng)變? = (l-l0)/l0,1.彈性極限σe 彈性極限是指在產(chǎn)生完全彈性變形時(shí)材料所能承受的最大應(yīng)力，即：,,式中Fe——試樣完全彈性變形時(shí)所能承受的最大載荷，N ； Ao——試樣原始截面積，mm2。,,二、強(qiáng)度,在實(shí)際工

5、程應(yīng)用中，在最大許用應(yīng)力條件下是否產(chǎn)生或產(chǎn)生多大微量塑性變形是重要的，具有實(shí)際意義。,強(qiáng)度是指金屬材料抵抗塑性變形和斷裂的能力，是工程技術(shù)上重要的力學(xué)性能指標(biāo)。按照載荷的性質(zhì)，材料強(qiáng)度有靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度等；按照環(huán)境條件，材料強(qiáng)度有常溫強(qiáng)度、高溫強(qiáng)度等，高溫強(qiáng)度又包括蠕變極限和持久強(qiáng)度。除了上述材料強(qiáng)度外，還有機(jī)械零件和構(gòu)件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。工程上常用的強(qiáng)度指標(biāo)有強(qiáng)度指標(biāo)有屈服強(qiáng)度、規(guī)定殘余延伸強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等。,材料強(qiáng)度的大小通常用單位

6、面積上所承受的力來表示，其單位為N/m2(Pa)，但Pa這個(gè)單位太小，所以實(shí)際工程中常用MPa（MPa=106Pa）作為強(qiáng)度的單位。一般鋼材的屈服強(qiáng)度在200～2000MPa 之間，如建造2008年北京奧運(yùn)會主體育場“鳥巢”外部鋼結(jié)構(gòu)的Q460E鋼，其屈服強(qiáng)度為460MPa。,（1） 屈服現(xiàn)象,在金屬拉伸試驗(yàn)過程中，當(dāng)應(yīng)力超過彈性極限后，變形增加較快，此時(shí)除了彈性變形外，還產(chǎn)生部分塑性變形。當(dāng)外力增加到一定數(shù)值時(shí)突然下降，隨后，在外

7、力不增加或上下波動(dòng)情況下，試樣繼續(xù)伸長變形，在力－伸長曲線出現(xiàn)一個(gè)波動(dòng)的小平臺，這便是屈服現(xiàn)象。,2.屈服強(qiáng)度,,（2）屈服強(qiáng)度,在拉伸曲線上，與上、下屈服點(diǎn)相對應(yīng)的應(yīng)力稱為上、下屈服強(qiáng)度，分別用ReH和ReL表示。ReH和ReL的計(jì)算公式如下：,,（3） 規(guī)定殘余延伸強(qiáng)度,對于高碳淬火鋼、鑄鐵等材料，在拉伸試驗(yàn)中沒有明顯的屈服現(xiàn)象，無法確定其屈服強(qiáng)度。國標(biāo)GB228-2002規(guī)定，一般規(guī)定以試樣達(dá)到一定殘余伸長率對應(yīng)的應(yīng)力作為材料

8、的屈服強(qiáng)度，稱為規(guī)定殘余延伸強(qiáng)度，通常記作Rr。例如Rr0.2表示殘余伸長率為0.2%時(shí)的應(yīng)力。,,例如Rr0.2 表示規(guī)定殘余延伸率為0.2％時(shí)的應(yīng)力。 其計(jì)算公式為： 　　Rr0.2＝F0.2 / S0 （N/ mm2）　　式中：F0.2－殘余延伸率達(dá)0.2％時(shí)的載荷（N）； 　S0－試樣原始橫截面積（mm2）。,,,,,,,,,ΔL,F,0,,,,F0.2,,工程上各種構(gòu)件或機(jī)器零件工作時(shí)均不允許

9、發(fā)生過量塑性變形，因此屈服強(qiáng)度ReL和規(guī)定殘余延伸強(qiáng)度Rr是工程技術(shù)上重要的力學(xué)性能指標(biāo)之一，也是大多數(shù)機(jī)械零件選材和設(shè)計(jì)的依據(jù)。,ReL 和Rr 常作為零件選材和設(shè)計(jì)的依據(jù)。傳統(tǒng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法，對韌性材料，以屈服強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定許用應(yīng)力[σ]= ReL /n，安全系數(shù)n一般取2或更大。,,3.抗拉強(qiáng)度,材料在斷裂前所能承受的最大應(yīng)力，用符號Rm表示。,,計(jì)算公式,,抗拉強(qiáng)度Rm的物理意義是塑性材料抵抗大量均勻塑性變形的能力。鑄鐵等

10、脆性材料拉伸過程中一般不出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，抗拉強(qiáng)度就是材料的斷裂強(qiáng)度。斷裂是零件最嚴(yán)重的失效形式，所以，抗拉強(qiáng)度也是機(jī)械工程設(shè)計(jì)和選材的主要指標(biāo)，特別是對脆性材料來講。,,,強(qiáng)度是指金屬材料抵抗塑性變形和斷裂的能力，一般鋼材的屈服強(qiáng)度在200～1000MPa 之間。強(qiáng)度越高，表明材料在工作時(shí)越可以承受較高的載荷。當(dāng)載荷一定時(shí)，選用高強(qiáng)度的材料，可以減小構(gòu)件或零件的尺寸，從而減小其自重。因此，提高材料的強(qiáng)度是材料科學(xué)中的重要課題，稱之為

11、材料的強(qiáng)化。,4.強(qiáng)度的意義,（二）衡量指標(biāo),金屬材料斷裂前發(fā)生永久變形的能力。,斷面收縮率：,伸長率：,試樣拉斷后，標(biāo)距的伸長與原始標(biāo)距的百分比。,試樣拉斷后，頸縮處的橫截面積的縮減量與原始橫截面積的百分比。,返 回,上一頁,下一頁,回主頁,（一） 定義,三、塑性,,斷后伸長率（ A ）,,,,l1——試樣拉斷后的標(biāo)距,mm;,l0——試樣的原始標(biāo)距,mm。,返 回,上一頁,下一頁,回主頁,,同一材料的試樣長短不同，測得的

12、斷后伸長率略有不同。由于大多數(shù)韌性金屬材料的集中塑性變形量大于均勻塑性變形量，因此，比例試樣的尺寸越短，其斷后伸長率越大，用短試樣（L0＝5d0）測得的斷后伸長率A略大于用長試樣（L0＝10d0）測得的斷后伸長率A11.3。,,斷面收縮率（ Z ）,,S0——試樣原始橫截面積,mm2；,S1——頸縮處的橫截面積,mm2 。,返 回,上一頁,下一頁,回主頁,塑性的意義,任何零件都要求材料具有一定的塑性。很顯然，斷后伸長率A和斷面收

13、縮率Z越大，說明材料在斷裂前發(fā)生的塑性變形量越大，也就是材料的塑性越好。意義： a）安全，防止產(chǎn)生突然破壞； b）緩和應(yīng)力集中； c）軋制、擠壓等冷熱加工變形。,四、剛度,剛度是指材料抵抗彈性變形的能力，金屬材料剛度的大小一般用彈性模量E表示。在拉伸曲線上，彈性模量就是直線（OP）部分的斜率。對于材料而言，彈性模量E越大，其剛度越大。,彈性模量的大小主要取決于材料的本性，除隨溫度升高而逐漸降低外，其他強(qiáng)化材料的手段

14、如熱處理、冷熱加工、合金化等對彈性模量的影響很小。可以通過增加橫截面積或改變截面形狀來提高零件的剛度。,結(jié)構(gòu)的剛度除取決于組成材料的彈性模量外，還同其幾何形狀 、截面尺寸等因素以及外力的作用形式有關(guān)，在彈性模量E一定時(shí)，零件或構(gòu)件的截面尺寸越大，其剛度越高。對于一些須嚴(yán)格限制變形的結(jié)構(gòu)（如機(jī)翼、高精度的裝配件等），須通過剛度分析來控制變形。許多結(jié)構(gòu)（如建筑物、船體結(jié)構(gòu)等）也要通過控制剛度以防止發(fā)生振動(dòng)、顫振或失穩(wěn)。,小結(jié),強(qiáng)度與塑性

15、是一對相互矛盾的性能指標(biāo)。在金屬材料的工程應(yīng)用中，要提高強(qiáng)度，就要犧牲一部分塑性。反之，要改善塑性，就必須犧牲一部分強(qiáng)度。正所謂“魚和熊掌二者不能兼得”。但通過細(xì)化金屬材料的顯微組織，可以同時(shí)提高材料的強(qiáng)度和塑性。,通常情況下金屬的伸長率不超過90% ，而有些金屬及其合金在某些特定的條件下，最大伸長率可高達(dá)1000%～2000% ，個(gè)別的可達(dá)6000% ，這種現(xiàn)象稱為超塑性。由于超塑性狀態(tài)具有異常高的塑性，極小的流動(dòng)應(yīng)力，極大的活性及

16、擴(kuò)散能力，在壓力加工、熱處理、焊接、鑄造、甚至切削加工等很多領(lǐng)域被中應(yīng)用。,,超塑性,延伸閱讀,材料抵抗表面局部塑性變形的能力。,五、 硬 度,（一）布氏硬度,（二）洛氏硬度,1. 原理,2. 應(yīng)用,3. 優(yōu)缺點(diǎn),1. 原理,2. 應(yīng)用,3. 優(yōu)缺點(diǎn),返 回,上一頁,下一頁,回主頁,（一）布氏硬度,布氏硬度試驗(yàn)是指用一定直徑的 硬質(zhì)合金球以相應(yīng)的試驗(yàn)力壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定保持時(shí)間后卸除試驗(yàn)力，用測量的表面壓痕直徑計(jì)算硬度的一

17、種壓痕硬度試驗(yàn)。,返 回,上一頁,下一頁,回主頁,,布氏硬度試驗(yàn)原理圖,1. 原理,,（一）布氏硬度,返 回,上一頁,下一頁,回主頁,,布氏硬度實(shí)際測試時(shí)，硬度值是不用計(jì)算的，利用刻度放大鏡測出壓痕直徑d，根據(jù)值d查平面布氏硬度表即可查出硬度值（詳見附表B）。目前，金屬布氏硬度試驗(yàn)方法執(zhí)行時(shí)GB/T231-2002標(biāo)準(zhǔn)，用符號HBW表示，布氏硬度試驗(yàn)范圍上限為650HBW。,測量比較軟的材料。測量范圍 <650HBW

18、的金屬材料。,3. 優(yōu)缺點(diǎn),2. 應(yīng)用,壓痕大，測量準(zhǔn)確，但不能測量成品件。,返 回,上一頁,下一頁,回主頁,1. 原理,（二）洛氏硬度,返 回,上一頁,下一頁,回主頁,返 回,上一頁,下一頁,回主頁,2. 應(yīng)用范圍,20~67,1500N,120°金剛石圓錐體,HRC,25~100,1000N,1.588mm鋼球,HRB,70~85,600N,120°金剛石圓錐體,HRA,,,,,,,,返

19、回,上一頁,下一頁,回主頁,常用洛氏硬度標(biāo)度的試驗(yàn)范圍,優(yōu)點(diǎn)：操作簡便、迅速，效率 高，可直接測量成品件 及高硬度 的材料。,3. 優(yōu)缺點(diǎn),缺點(diǎn)：壓痕小，測量不準(zhǔn)確， 需多次測量。,返 回,上一頁,下一頁,回主頁,（三）維氏硬度(HV) (1)測試原理 和布氏硬度試驗(yàn)原理基本相同。 (2)表示方法 例如：640HV30/20。 (3)適用范圍

20、 用于測量金屬鍍層薄片材料和化學(xué)熱處理后的表面硬度。,維氏硬度測試原理示意,,各硬度值之間大致有以下關(guān)系：布氏硬度值在200～450HBW范圍內(nèi)， HBW=10HRC；布氏硬度值小于450HBW， HBW≈HV,引言： 強(qiáng)度、硬度、塑性等力學(xué)性能指標(biāo)都是材料在靜載荷作用下的表現(xiàn)。 材料在工作時(shí)還經(jīng)常受到動(dòng)載荷的作用，沖擊載荷就是常

21、見的一種。,靜載荷,包括不隨時(shí)間變化的恒載（如自重）和加載變化緩慢以至可以略去慣性力作用的準(zhǔn)靜載（如鍋爐壓力）；,六、沖擊韌性,動(dòng)載荷,動(dòng)載荷包括短時(shí)間快速作用的沖擊載荷（如空氣錘）、隨時(shí)間作周期性變化的周期載荷（如空氣壓縮機(jī)曲軸）其對材料的作用效果或破壞效應(yīng)大于靜載荷。,沖擊載荷沖擊韌性的概念沖擊試驗(yàn)溫度對金屬材料韌性的影響提高金屬材料韌性的措施,1.沖擊載荷,在很短時(shí)間內(nèi)作用物體上的載荷稱為沖擊載荷。加載時(shí)間短，加載速率

22、高；有時(shí)利用，有時(shí)盡量避免或減小。載荷作用效果大，所以必須考慮材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力，即沖擊韌性。,,沖擊載荷與靜載荷的主要區(qū)別在于加載時(shí)間短、加載速率高、應(yīng)力集中。由于加載速率提高，金屬形變速率也隨之增加，一般沖擊試驗(yàn)時(shí)金屬形變速率ε=102～104 s-1。提高應(yīng)變率將使金屬材料的變脆傾向增大，因此沖擊載荷對材料的作用效果或破壞效應(yīng)大于靜載荷。,2.沖擊韌性的概念,材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力，稱為沖擊韌性。

23、 示例：玻璃在沖擊載荷作用下非常容易破裂，說明其沖擊韌性很低。,3.沖擊試驗(yàn),沖擊試樣沖擊試驗(yàn)原理一次擺錘沖擊試驗(yàn)沖擊韌性的表示方法,如不能制備標(biāo)準(zhǔn)試佯，可采用寬度7.5mm或5mm等小尺寸試祥,試樣的其他尺寸及公差與相應(yīng)缺口的標(biāo)準(zhǔn)試樣相同，缺口應(yīng)開在試樣的窄面上。其中5mm×10mm×55mm試樣常用于薄板材料的檢驗(yàn)。焊接接頭沖擊試樣的形狀和尺寸與相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)試樣相同，但其缺口軸線應(yīng)當(dāng)垂直焊縫表面。,

24、原理,沖擊韌性可以通過一次擺錘沖擊試驗(yàn)來測定，試驗(yàn)時(shí)將帶有U型或V型缺口的沖擊試樣放在試驗(yàn)機(jī)架的支座上，將擺錘升至高度H1，使其具有勢能mgH1；然后使擺錘由此高度自由下落將試樣沖斷，并向另一方向升高至H2，這時(shí)擺錘的勢能為mgH2。所以，擺錘用于沖斷試樣的能量 AK=mg（H1-H2），即為沖擊功（焦耳/J）。,4.材料沖擊韌性的表示方法,國標(biāo)GB/T229－1994沖擊功吸收功：表征金屬材料沖擊韌性高低的指標(biāo)是

25、沖擊功吸收功，也就是材料在斷裂前所吸收的能量。根據(jù)試樣缺口的不同，沖擊吸收功用AKV和AKU表示，單位為焦耳，數(shù)值可從試驗(yàn)機(jī)的刻度盤上讀出。,4.材料沖擊韌性的表示方法,國標(biāo)GB/T229－2007沖擊吸收能量：表征金屬材料沖擊韌性高低的指標(biāo)是沖擊吸收能量; K＝mg（H1-H2）,4.材料沖擊韌性的表示方法,按照國標(biāo)GB/T229－2007，U型缺口試樣和V型缺口試樣的沖擊能量分別表示為KU和K

26、V，并用下標(biāo)數(shù)字2或8表示擺錘刀刃半徑，如KU2 ，其單位是焦耳（J）。沖擊吸收能量的大小直接由試驗(yàn)機(jī)的刻度盤上直接讀出。,沖擊吸收能量的值越大，材料的韌性越大，越可以承受較大的沖擊載荷。沖擊吸收能量K或沖擊韌性值K越大，材料的韌性越大，越可以承受較大的沖擊載荷。一般把沖擊吸收能量低的材料稱為脆性材料，沖擊吸收能量高的材料稱為韌性材料。,【小資料】GB/T 229－2007與GB/T 229－1994相比，在金屬沖擊韌性的名稱和符號

27、等方面有較大變化，為方便讀者學(xué)習(xí)，將關(guān)于金屬材料沖擊韌性的新、舊標(biāo)準(zhǔn)名稱和符號對照列于下表中。,缺口沖擊試驗(yàn)最大的優(yōu)點(diǎn)就是測量迅速簡便用于控制材料的冶金質(zhì)量和鑄造、鍛造、焊接及熱處理等熱加工工藝的質(zhì)量。 用來評定材料的冷脆傾向（測定韌脆轉(zhuǎn)變溫度）。設(shè)計(jì)時(shí)要求機(jī)件的服役溫度高于材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。,5.沖擊試驗(yàn)的應(yīng)用,5.沖擊試驗(yàn)的應(yīng)用,缺口沖擊試驗(yàn)由于其本身反映一次或少數(shù)次大能量沖擊破斷抗力，因此對某些特殊服役條件下的零件，如彈殼、

28、裝甲板、石油射孔槍等，有一定的參考價(jià)值。通過一次擺錘沖擊試驗(yàn)測定的沖擊吸收吸收能量K是一個(gè)由強(qiáng)度和塑性共同決定的綜合性力學(xué)性能指標(biāo)，不能直接用于零件和構(gòu)件的設(shè)計(jì)計(jì)算，但它是一個(gè)重要參考，所以將材料的沖擊韌性列為金屬材料的常規(guī)力學(xué)性能，ReL(Rr0.2)、Rm、A、Z和K被稱為金屬材料常規(guī)力學(xué)性能的五大指標(biāo)。,低溫脆性——隨溫度降低，材料由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)的現(xiàn)象 。冷脆：材料因溫度降低導(dǎo)致沖擊韌性的急劇下降并引起脆性破壞的現(xiàn)象

29、。對壓力容器、橋梁、汽車、船舶的影響較大。,低溫脆性,延伸閱讀,體心立方金屬具有韌脆轉(zhuǎn)變溫度，而大多數(shù)面心立方金屬沒有。,沖擊韌性與溫度有密切的關(guān)系，溫度降低，沖擊韌性隨之降低。當(dāng)?shù)陀谀骋粶囟葧r(shí)材料的韌性急劇下降，材料將由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)。這一溫度稱為轉(zhuǎn)變溫度（ Tt ）。轉(zhuǎn)變溫度（ Tt ）越低，表明材料的低溫韌性越好，對于在寒冷地區(qū)使用的材料要十分重要。,,金屬材料的成分對韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響很大，一般的碳素鋼，其韌脆轉(zhuǎn)變溫

30、度（ Tt ）大約為-20℃，某些合金鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度（ Tt ）可達(dá)-40℃以下。,TITANIC,建造中的Titanic 號,TITANIC的沉沒與船體材料的質(zhì)量直接有關(guān),1912年4月號稱永不沉沒的泰坦尼克號（Titanic）首航沉沒于冰海，成了20世紀(jì)令人難以忘懷的悲慘海難。20世紀(jì)80年代后，材料科學(xué)家通過對打撈上來的泰坦尼克號船板進(jìn)行研究，回答了80年的未解之謎。由于Titanic 號采用了含硫高的鋼板，韌性很差，特別是在低

31、溫呈脆性。所以，當(dāng)船在冰水中撞擊冰山時(shí)，脆性船板使船體產(chǎn)生很長的裂紋，海水大量涌入使船迅速沉沒。下圖中左面的試樣取自海底的Titanic號，沖擊試樣是典型的脆性斷口，右面的是近代船用鋼板的沖擊試樣。,6.提高沖擊韌性的途徑,沖擊韌性是一個(gè)對材料組織結(jié)構(gòu)相當(dāng)敏感的量，所以提高材料的沖擊韌性的途徑有： 改變材料的成分，如加入釩、鈦、鋁、氮等元素，通過細(xì)化晶粒來提高其韌性，尤其是低溫韌性； 提高材料的冶金質(zhì)量，減少偏析

32、、夾渣、 氣泡等缺陷；,,人工作久了就會感到疲勞，難道金屬工作久了也會疲勞嗎？金屬的疲勞能得到恢復(fù)嗎？,金屬材料在受到交變應(yīng)力或重復(fù)循環(huán)應(yīng)力時(shí)，往往在工作應(yīng)力小于屈服強(qiáng)度的情況下突然斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞。,七、 疲勞極限,1998年6月3日，德國發(fā)生了戰(zhàn)后最慘重的一起鐵路交通事故。一列高速列車脫軌，造成100多人遇難。事故的原因已經(jīng)查清，是因?yàn)橐还?jié)車廂的車輪“內(nèi)部疲勞斷裂”引起的。首先是一個(gè)車輪的輪箍發(fā)生斷裂，導(dǎo)致車輪脫軌，

33、進(jìn)而造成車廂橫擺，此時(shí)列車正好過橋，橫擺的車廂以其巨大的力量將橋墩撞斷，造成橋梁坍塌，壓住了通過的列車車廂，并使已通過橋洞的車頭及前5節(jié)車廂斷開，而后面的幾節(jié)車廂則在巨大慣性的推動(dòng)下接二連三地撞在坍塌的橋體上，從而導(dǎo)致了這場近50年來德國最慘重的鐵路事故。,1.變動(dòng)載荷和循環(huán)應(yīng)力,1.變動(dòng)載荷——引起疲勞破壞的外力，指載荷大小、甚至方向均隨時(shí)間變化的載荷，其在單位面積上的平均值即為變動(dòng)應(yīng)力。變動(dòng)應(yīng)力可分為規(guī)則周期變動(dòng)應(yīng)力(也稱循環(huán)應(yīng)

34、力)和無規(guī)則隨機(jī)變動(dòng)應(yīng)力兩種。,金屬疲勞產(chǎn)生的原因,a)應(yīng)力大小變化 b)c）應(yīng)力大小和方向都變化 d) 應(yīng)力大小和方向無規(guī)則變化,1.平均應(yīng)力,2.應(yīng)力幅,2.疲勞斷裂 零件在循環(huán)應(yīng)力作用下,在一處或幾處產(chǎn)生局部永久性累積損傷,經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后突然產(chǎn)生斷裂的過程,稱為疲勞斷裂. 疲勞斷裂由疲勞裂紋產(chǎn)生—擴(kuò)展—瞬時(shí)斷裂三個(gè)階段組成。,盡管疲勞失效的最終結(jié)果是部件的突然斷裂,但實(shí)際上它們是一個(gè)逐漸失效的過程，從

35、開始出現(xiàn)裂紋到最后破斷需要經(jīng)過很長的時(shí)間。疲勞斷裂的宏觀斷口一般由三個(gè)區(qū)域組成，即疲勞裂紋產(chǎn)生區(qū)（裂紋源）、裂紋擴(kuò)展區(qū)和最后斷裂區(qū)。,3.疲勞斷口,3.疲勞斷口,當(dāng)應(yīng)力低于某值時(shí)，材料經(jīng)受無限次循環(huán)應(yīng)力也不發(fā)生疲勞斷裂，此應(yīng)力稱為材料的疲勞極限，記作σR（R為應(yīng)力比），就是S-N曲線中的平臺位置對應(yīng)的應(yīng)力。通常，材料的疲勞極限是在對稱彎曲疲勞條件下（R＝－1）測定的，對稱彎曲疲勞極限記作σ-1。,4.疲勞強(qiáng)度,若疲勞曲線上沒有水平部

36、分，常以規(guī)定斷裂循環(huán)次數(shù)對應(yīng)的應(yīng)力為條件疲勞極限。 對一般低、中強(qiáng)度鋼：107周次 對高強(qiáng)度鋼：108周次 對鋁合金，不銹鋼：108周次 對鈦合金：107周次,在工程中，有時(shí)根據(jù)零件壽命的要求，在規(guī)定的某一循環(huán)周次下，測出σmax，并稱之為疲勞強(qiáng)度，實(shí)際上就是條件疲勞極限。,5.提高疲勞極限的途徑,(1)在零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中盡量避免尖角、缺口和截面突變。 (2) 提高零件表面加工質(zhì)量。 (3) 對材料表面