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，2009
2.束德林.金属力学性能.北京：机械工业出版社，1995
3.石德珂，金志浩等.材料力学性能.西安：西安交通大学出版社，1996
4.郑修麟.材料的力学性能.西安：西北工业大学出版社，1994
5.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，1991
6.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：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-σminσa=Δσ/2=（σmax-σmin）/2 ⑤应力比（或称循环应力特征系数）：r= σmin/σmax
5、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σm=（σmax+ σmin）/2=0 r=-1
属于此类的有：大多数旋转轴类零件。
②不对称循环
σm≠0
如：发动机连杆、螺栓
（a）σa> σm>0，-1 （b）σa> 0，σm<0，r<-1 ③脉动循环 σm=σa>0，r=0（σmin=0）如：齿轮的齿根、压力容器。 σm=σa<0，r=∞（σmax=0）如：轴承（压应力） ④波动循环 σm> σa0 ⑤随机变动应力 应力大小、方向随机变化，无规律性。如：汽车、飞机零件、轮船。 二、疲劳破坏的特点 在变动载荷作用下，材料薄弱区域，逐渐发生损伤，损伤累积到一定程度→产生裂纹，裂纹不断扩展→失稳断裂。 特点：从局部区域开始的损伤，不断累积，最终引起整体破坏。 1、潜藏的突发性破坏，脆性断裂（即使是塑性材料）。 2、属低应力循环延时断裂（滞后断裂）。 3、对缺陷十分敏感（可加速疲劳进程）。 三、疲劳破坏的分类 1、按应力状态： 弯曲疲劳 扭转疲劳 拉压疲劳 接触疲劳 复合疲劳 2、按应力大小和断裂寿命 N>105，б<бs 高周疲劳→低应力疲劳 N=102～105，б≥бs 低周疲劳→高应力疲劳 四、疲劳破坏的表征—疲劳寿命 疲劳寿命：材料疲劳失效前的工作时间，即循环次数N 。 疲劳曲线: 应力б↑，N↓ 五、疲劳断口的宏观特征 典型疲劳断口具有3个特征区：疲劳源 疲劳裂纹扩展区 瞬断区 1、疲劳源 疲劳裂纹萌生区，多出现在零件表面，与 加工刀痕、缺口、裂纹、蚀坑等相连。 特征：光亮，因为疲劳源区裂纹表面受反复挤压、摩擦次数多。 疲劳源可以是一个，也可以有多个。如：单向弯曲，只有一个疲劳源；双向弯曲，可出现两个疲劳源。 2、疲劳裂纹扩展区（亚临界扩展区） 特征：断口较光滑并分布有贝纹线或裂纹扩展台阶。 贝纹线是疲劳区最典型的特征，是一簇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，近疲劳源区贝纹线较细密（裂纹扩展较慢），远疲劳源区贝纹线较稀疏、粗糙（裂纹扩展较快）。 贝纹线（海滩花样） 贝纹线区的大小取决于过载程度及材料的韧性，高名义应力或材料韧性较差时，贝纹线区不明显；反之，低名义应力或高韧性材料，贝纹线粗且明显，范围大。 名义载荷 根据额定功率用力学公式计算出作用在零件上的载荷。即机器平稳工 作条件下作用于零件上的载荷。 计算载荷=载荷系数*名义载荷 3、瞬断区 裂纹失稳扩展形成的区域 断口特征： 断口粗糙，脆性材料断口呈结晶状；韧性材料断口在心部平面应变区呈放射状或人字纹状；表面平面应力区则有剪切唇区存在。 σ N σ 瞬断区一般在疲劳源对侧 瞬断区大小与名义应力、材料性质有关 高名义应力或脆性材料，瞬断区大；反之，瞬断区小。 第二节疲劳破坏的机理 一、金属材料疲劳破坏的机理 1、疲劳裂纹的萌生（形核） 第Ⅰ阶段在循环应力作用下，裂纹萌生常在材料薄弱区或高应力区。通过不均匀滑移或显微开裂（如第二相、夹杂物、晶界或亚晶界）等方式完成。 通常将长0.05-0.10mm的裂纹定为疲劳裂纹核，对应的循环周期N，为微裂纹萌生期。 驻留滑移带： 在循环载荷作用下，即使循环载荷未超过材料屈服强度，也会在材料表面形成循环滑移带—不均匀滑移，其与静拉伸形成的均匀滑移不同，循环滑移带集中于某些局部区域，用电解抛光法也难以去除，即使去除了，再重新循环加载，还会在原处再现。 不均匀滑移 驻留滑移带在表面加宽过程中，会形成挤出脊和侵入沟，从而引起应力集中，形成疲劳微裂纹→形核（萌生）。 挤出和侵入模型 表面易产生疲劳裂纹的原因 （1）在许多载荷方式下，如扭转疲劳，弯曲和旋转弯曲疲劳等，表面应力最大。 （2）实际构件表面多存在类裂纹缺陷，如缺口，台阶，键槽，加工划痕等，这些部位极易由应力集中而成为疲劳裂纹萌生地。 （3）相比于晶粒内部，自由表面晶粒受约束较小，更易发生循环塑性变形。（4）自由表面与大气直接接触，因此，如果环境是破坏过程中的一个因素，则表面晶粒受影响较大。 2、疲劳裂纹的扩展→ 第Ⅱ阶段 疲劳裂纹形核后，在室温及无腐蚀条件下 第Ⅰ阶段属于微裂纹扩展 第Ⅱ阶段呈穿晶扩展，扩展速率da/dN 随N的增加而增大。 在多数韧性材料的第Ⅱ阶段，断口用电子显微镜可看到韧性条带而脆性材料中可看到脆性条带。 疲劳条带（辉纹）呈略弯曲并相互平行的沟槽状花样，与裂纹扩展方向垂直。 与贝纹线不同,疲劳条带是疲劳断口的微观特征。 疲劳条带形成的原因： 裂纹尖端的塑性张开，钝化和闭合钝化，使裂纹向前延续扩展疲劳裂纹的形成与扩展模型。 韧性疲劳条带与脆性疲劳条带形貌 疲劳条带的形成模型(Laird-Smith模型）： 疲劳条带的形成模型—再生核模型（F-R） 韧性条带与脆性条带的区别：二、非金属材料疲劳破坏机理 1、陶瓷材料的疲劳破坏机理 静态疲劳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。 动态疲劳在恒定加载条件下，研究材料断裂失效对加载速率的敏感性。 循环疲劳在长期变动应力作用下，材料的破坏行为。 陶瓷材料断口呈现脆性断口的特征。 2、高分子聚合物的疲劳破坏机理 ⑴非晶态聚合物 a、高循环应力时，应力很快达到或超过材料银纹的引发应力，产生银纹，随后转变成裂纹，扩展后导致材料疲劳破坏。 b、中循环应力也会引发银纹，形成裂纹，但裂纹扩展速率较低（机理相同）。 c、低循环应力，难以引发银纹，由材料微损伤累积及微观结构变化产生微孔及微裂纹，最终裂纹扩展导致宏观破坏。 ⑵结晶态高聚合物或低应力循环的非晶态高聚合物，疲劳过程有以下现象： ①整个过程，疲劳应变软化而不出现硬化。 ②分子链间剪切滑移，分子链断裂，结晶损伤，晶体结构变化。 ③产生显微孔洞，微孔洞合并成微裂纹，并扩展成宏观裂纹。 ④断口呈裂纹扩展形成的肋状形态，断口呈丛生簇状结构（拉拔）。 ⑶高聚物的热疲劳 由于聚合物为粘弹性材料，具有较大面积的应力滞后环，所以在应力循环过程中，外力所做的功有相当一部分转化为热能；而聚合物导热性能差，因此温度急剧升高，甚至高于熔点或玻璃化转变温度，从而产生热疲劳。热疲劳常是聚合物疲劳失效的主要原因。因此疲劳循环产生的热量，使聚 合物升温，可以修补高分子、的微结构损伤，使机械疲劳裂纹形核困难。 ⑷聚合物疲劳断口可观察到两种特征的条纹 A、疲劳辉纹 每周期的裂纹扩展10μm（间距）。 聚合物相对分子量较高时，在所有应力强度因子条件下，皆可形成疲劳辉纹。 B、疲劳斑纹 不连续、跳跃式的裂纹扩展，50μm 间距 而相对分子量较低时，在较低应力强度因子时，易形成疲劳斑纹。 3、复合材料的疲劳破坏机理 ⑴复合材料疲劳破坏的特点 a、多种疲劳损伤形式：界面脱粘、分层、纤维断裂、空隙增长等。 b、不发生瞬断，其疲劳破坏的标准与金属不同，常以弹性模量下降的百分数1%-2%），共振频率变化（1-2HZ）作为破坏依据。 c、聚合物基复合材料，以热疲劳为主，对加载频率感。 d、较大的应变引起纤维与基体界面开裂形成疲劳源（纤维、基体的变形量不同）压缩应变使复合材料纵向开裂，故对压缩敏感。 e、复合材料的疲劳性能与纤维取向有关纤维是主要承载组分，沿纤维方向具有很好的疲劳强度；而沿纤维垂直方向，疲劳强度较低。 对于复合材料，界面结合非常重要，因为：基体与纤维的E 不同，变形量不同，故界面产生很大的剪切应力。第三节疲劳抗力指标 一、疲劳试验方法 实验设备：旋转弯曲疲劳试验机 实验方法用一组光滑试样，测量σ—N曲线，即疲劳应力—疲劳寿命曲线。 实验标准GB4337—84 旋转弯曲疲劳试验机：临界值σ–1材料的疲劳强度 σ >σ–1有限循环 σ≤σ–1无限循环 金属材料的疲劳曲线有两类： 碳钢、低合金钢、球铁等有水平线 而有色合金、不锈钢、高强度的无水平线取N=106，107或108下的疲劳强度→条件疲劳强度。 二、疲劳强度 在指定疲劳寿命下，材料能承受的上限循环应力。 指定的疲劳寿命：无限周次有限周次 1、对称循环疲劳强度 对称弯曲：σ-1 对称扭转：τ-1 对称拉压：σ-1p 2、不对称循环疲劳强度 不对称循环疲劳强度难以用实验方法直接测定。一般用工程作图法，由疲劳图求出各种不对称循环应力下的疲劳强度。 AHB曲线上各点σmax值即表示由r=-1~1个状态下的疲劳强度。 由此即可根据已知循环应力比r 求出α值作图，在AHB上对应点的纵 r tg x ma m + = + = = 1 2 2 min max max σ σ σ σ σ α 坐标值即为相应的疲劳强度。 这种疲劳图也可以利用Gerber 注意：上述疲劳图仅适合于脆性材料，对于塑性材料，应该用屈服强度σs 进行修正。 3、不同应力状态下的疲劳强度 同种材料在不同应力状态下，相应的疲劳强度也不同，存在如下关系： 钢： σ-1p =0.85 σ-1 铸铁： σ-1p =0.65 σ-1 钢及轻合金：τ-1=0.55σ-1 铸铁： τ-1=0.80σ-1 同种材料的疲劳强度： σ–1> σ–1P >τ–1 因为弯曲疲劳时，试样表面应力最大，只有表面层才产生疲劳损伤。而拉压疲劳时，应力分布均匀，整个截面都可产生疲劳损伤，故σ–1> σ–1P 。扭转疲劳时，切应力大，更容易使材料发生滑移，产生疲劳损伤，故τ–1最小。 4、疲劳强度与静强度间的关系 试验表明，材料的抗拉强度越大，其疲劳强度也越大。对于中、低强度钢，σ–1与σb 大致成线性关系， σ–1=0.5σb 。随着抗拉强度增大，材料的塑性、断裂韧性降低，裂纹易于形成和扩展，疲劳强度降低。 经验公式 结构钢： σ–1P =0.23(σs + σb ) σ–1=0.27(σs + σb ) 铸铁： σ–1P =0.4σb σ–1=0.45σb 铝合金： σ–1P =1/6σb +7.5MPa σ–1=1/6σb -7.5Mpa 青铜： σ–1=0.21σb 三、过载持久值及过载损伤界 1、过载持久值 材料在高于疲劳强度的一定应力下工作，发生疲劳断裂的应力循环周次称为材料的过载持久值（有限疲劳寿命）。 表征了材料对过载疲劳的抗力，过载持久值可由疲劳曲线倾斜部分确定：曲线倾斜度越大，持久值越高，表明材料在相同过载条件下能承受的应力循环次数越多。 2、过载损伤界 实验证明，材料在过载应力水平下，只有运转一定周次后，才会造成过载损伤→疲劳强度、疲劳寿命才会降低，短时间过载并不会造成过载损伤。 把每个过载应力下运行能引起损伤的最少循环次数连接起来，就得该材料的过载损伤界。 过载损伤界到疲劳曲线间的区域→过载损伤区。 材料的过载损伤区越窄，则抵抗疲劳过载的能力越强（损伤界越陡）。所以，工程上经常过载的零件，常选用疲劳损伤区窄的材料。 四、疲劳缺口敏感度 零件上的台阶、拐角、健槽、螺纹、油孔等结构，产生结构应力集中，作用类似于缺口，会降低材料的疲劳强度、疲劳寿命。 疲劳缺口敏感度 K t —理论应力集中系数，可查《机械设计手册》，Kt >1。 K f —疲劳缺口系数 ???? ???????? ??--=-=???????????? ??-+=+=--21min 21max 11b m m a m b m m a m σσσσσσσσσσσσσσ1 1 --=t f f K K q N f K 11 --=σσ 显然，K f >1， 0< q f <1 当K f =1时，q f =0 表明材料对缺口完全不敏感。 K f = K t 时，q f =1 分敏感。 结构钢：q f =0.6-0.8球铁： q f =0.11-0.25 灰铸铁：q f =0-0.051段的速率（第Ⅱ阶段）。 2、实验测定 利用三点弯曲切口试样或中心裂纹试样或紧凑拉伸试样。在固定应力比r 及应力幅Δσ下进行疲劳试验。通过疲劳裂纹长度测量装置，测出每一定循环周次N 对应的裂纹长度a ，直到试样断裂为止。 作出a —N 曲线，如图，疲劳裂纹扩展曲线 Δσ2>Δσ1 由图可见，在一定循环应力条件下，裂纹长度a 是不断扩展的，疲劳裂纹扩展速率da/dN 也是不断增加的。当a 达到a c 时， da/dN 无限增大，裂纹将失稳扩展。 因此，da/dN 不仅与裂纹长度a 有关，还与应力水平有关。 当应力增加时，da/dN 增大，a —N 曲线向左上方移动，a c 相应减小 建立da/dN —ΔKI 曲线，并在双对 数坐标上描绘，如图： Ⅰ区：相当于疲劳裂纹的初始扩展阶段，da/dN 很小，约10-8～10-6mm/周次，从ΔK th 开始，随着ΔK I 增加,da/dN 快速增大 Ⅱ区：是疲劳裂纹扩展的主要阶段，da/dN 约为10-5～10-2mm/周次，lg （da/dN ）与 lgΔK I 呈线性关系， 可用：da/dN=C （ΔK I ）n 表示 ———Paris 公式 C 、n 为材料常数。 Ⅲ区：是疲劳裂纹扩展的最后阶段，da/dN 值很大。并ΔK I 增加而急剧增大，很快导致裂纹失稳扩展。 ΔK th 处da/dN=0，即裂纹不会扩展，只有K I >ΔK th 时，da/dN>0。因此，ΔK th 称疲劳裂纹扩展门槛值，表征材料阻止疲劳裂纹开始扩展的能力。 ΔK th 与σ-1的区别： σ-1代表光滑试样的无限寿命疲劳强度，适用于无裂纹零件设计、校核依据。 ΔK th 代表裂纹试样的无限寿命疲劳强度，适用于含裂纹零件的设计和 校核。 因此，含裂纹零件不发生疲劳断 利用公式： 1、已知裂纹件的原始裂纹长度a 和材N f K 11--= σσ11--= t f f K K q a Y a Y a Y K K K I σσσ?=-=-=?min max min max th I K a Y K ?≤?=?σ 料的疲劳门槛值ΔK th ，可求得该零件在无限疲劳寿命时的承载能力： 用该式算出的Δσ值显然远低于光滑试样的疲劳强度σ-1。 2 Δσ ，材 料的 ΔKth 很难由实验直接测得，工程上常规定在平面应变状态下 ，da/dN=10-6～10-7mm/周次时对应的ΔK I 为ΔK th —称为条件疲劳裂纹扩展门槛值。 大多数金属材料的ΔK th 值很小，约为 5%～10%K IC 如钢： ΔK th ≤9MPa·m 1/2， 铝合金:ΔK th ≤4MPa·m 1/2 注意Paris 公式仅适用于低应力，低扩展速率da/dN<10-2mm/周次和较长寿命Nf>104情况。 根据Paris 公式，可以对零件的剩余疲劳寿命进行估算。 可先用无损伤法测出零件的初始裂纹长度a 0、形状、位置和取向，以确定ΔK I 的值，再根据材料的断裂韧度ΔK IC 及名义工作应力Δσ，确定临界裂纹长度ac 。最后用积分法算出剩余疲劳寿命： 第四节 影响材料疲劳强度的因素 一、工作条件的影响 1、载荷条件 ① 应力状态，平均应力，应力比 ② 在过载损伤区内的过载，会降低材料的疲劳强度、疲劳寿命 ③ 次载锻炼材料尤其金属在低于疲劳强度的应力循环一定周次后称为次载锻炼。 次载应力越接近材料的疲劳强度，次载循环周期越长，锻炼效果越好。 新机器经次载锻炼，既跑合、又延长疲劳寿命。 ④ 间歇效应：实验表明，对应变时效材料，在循环加载运行过程中，若间歇空载一段时间或间隙时适当加温，可提高疲劳强度，延长寿命。 ⑤ 载荷频率：在一定频率范围内（170～1000HZ ），材料的疲劳强度随加载频率的增加而提高；在常用频率范围内50～170HZ ，材料的疲劳强度不受频率 变化影响；低于1HZ 的加载，σ-1降低。 2、温度 温度降低，疲劳强度升高（与静强度相似）；反之，疲劳强度降低。 如结构钢在400℃以上时，疲劳强度急剧下降；耐热钢在550~650 ℃以上时，疲劳强度明显下降。 注意高温时材料的疲劳曲线无水平段→条件疲劳强度 3、腐蚀介质 腐蚀介质的作用使材料表面产生蚀坑，而降低材料的疲劳强度，导致腐蚀疲劳。 一般腐蚀疲劳曲线无水平段（低应力下也产生疲劳断裂）→条件疲劳强度 ， σ-1 ↓ 、N↓ b 、另外，使零件表面产生残余压应力层（氮化、喷丸等工艺），可显著提高疲劳强度与寿命。 2、尺寸因素 尺寸效应：零件尺寸增大(三向拉应力状态)，疲劳强度下降。 尺寸效应系数ε=（σ-1）d / σ-1 三、表面强化及残余应力的影响 表面强化：喷丸和滚压 表面淬火 化学热处理 1、表面喷丸及滚压 喷丸过程就是将大量弹丸喷射到零件表面上的过程，有如无数小锤对表面锤击，因此，金属零件表面产生极为强烈的塑性形变，使零件表面产生一定厚度的冷作硬化层，称为表面强化层，此强化层会显著地提高零件的疲劳强度。 可使金属表面形变强化，并在塑性变形层内产生残余压应力，既提高了表层材料强度，又能降低表层材料的工作时的拉压力；同时可降低缺口应力集中系数和疲劳缺口敏感度，提高材料的疲劳抗力。 表面滚压技术是在一定的压力下用辊轮、滚球或者辊轴对被加工零件表面进行滚压或者挤压，使其发生塑性变形，形成强化层的工艺过程。 形状简单的大尺寸零件→滚压强化 形状复杂的零件→喷丸强化 2、表面热处理和化学热处理 表面淬火：外硬内韧组织 化学热处理：氮化，外硬内韧，残余压应力层 3、复合强化 渗氮+表面淬火，渗氮+喷丸，表面淬火+喷丸 例如： 某型车辆扭力轴在服役过程中经常发生早期断裂失效，失效部位位于扭力轴的端部附近, 如图1所示。扭力轴是该型车辆行动部分减震装置中的主要零件，当车辆行驶在起伏不平的路面或者遇到障碍时, 平衡肘以其轴为圆心产生摆动, 使装配在平衡肘中的扭力轴承受扭矩, 扭力轴通过充分扭转吸收和释放能量, 以达到缓冲和减震的目的。因此在车辆行驶过程中, 扭力轴经常在大应力、大应变、冲击和交变扭矩载荷作用下工作，容易发生疲劳断裂。扭力轴材料为45C rNMi oVA 钢。为优化扭力轴的减震性能, 提高其抗疲劳性能, 制造中采用了淬火+ 中温回火热处理和表面滚压强化处理。 四、材料成分及组织的影响 1、合金成分 工程材料中，结构钢的疲劳强度最高σ-1≈0.5 σb 结构钢中碳是影响疲劳强度的重要因素，既有间隙固溶强化作用，又有弥散强化作用（碳化物），提高材料的形变抗力、疲劳强度。 在一定范围内，随着含碳量增大，疲劳强度增大（固溶强化，弥散强化作用增大），但含碳量太大，钢的脆性增大，σ-1降低。 2、非金属夹杂物及冶金缺陷 a、脆性夹杂物（Al2O3，硅酸盐）在钢中易萌生疲劳裂纹，降低疲劳强度。 b、冶金缺陷（气孔、缩孔、偏析、白点、裂纹等）都是疲劳裂纹源，降低疲劳强度和寿命。 3、显微组织 晶粒度对疲劳强度的影响σ-1= σ i+ kd -1/2 σ i—位错在晶格中运动摩擦阻力 k —材料常数 d —晶粒平均直径，显然，d↓→ σ-1↑第五节热疲劳 一、热疲劳 1.概念：由周期变化的热应力或热应变引起的材料破坏称为热疲劳。 2.热疲劳的特点：是热塑性应变损伤累积引起的破坏，服从低周应变疲劳的规律。 热疲劳裂纹多萌生于表面热应变最大区域，有多个裂纹源。 3.脆性材料的热震断裂与热损伤 抗热震性：材料经受温度瞬变而不被破坏的能力 热震断裂热震温差引起的热应力超过材料的断裂应力时，引起材料瞬时断裂。 热损伤热冲击循环作用引起材料开裂、剥落、碎裂或变质，最后整体损伤。 3.热疲劳的表征 （1）材料的热疲劳抗力常以一定温度幅下产生一定尺寸疲劳裂纹的循环次数或在规定的循环周次下产生的裂纹长度表示 （2）材料的抗热震性用抗热震参数表征： （a）对于极剧受热和冷却的材料，抗热震参数为 （b）对于缓慢受热和缓慢冷却的材料，抗热震参数为 (c)当材料表面以恒定速率进行加热或冷却时： 二、影响材料热疲劳性能的因素 1、材料的热学性质如导热性、热比容、热膨胀系数等 2、材料的力学性质如材料的弹性模量、屈服强度、韧性等 3、材料的几何因素几何形状、表面积等 4、热应力（应变）循环频率 作业： 1.比较金属材料、陶瓷材料、高分子材料、复合材料疲劳断裂的特点及过程。 2.试述疲劳宏观断口和微观断口的特征及其形成的过程或模型。 3.疲劳失效过程可分为哪几个阶段？简述各个阶段的机制及提高材料疲劳抗力的主要方法。 4.试述估算疲劳裂纹扩展速率、寿命和剩余寿命的主要方法及步骤。 5试述应力集中和应力比对疲劳寿命和疲劳强度的影响规律。 铝合金焊接接头疲劳性能研究张禧铭 摘要：测定了6061铝合金焊接件焊接接头的疲劳性能，介绍了铝合金焊接件焊 接接头的疲劳特征，分析了铝合金焊接件焊接接头中缺陷对其疲劳性能的影响。 结果表明铝合金焊接件焊接接口处气孔、夹杂物及未焊透三个焊接缺陷均会零件 的应力集中创造条件，对铝合金焊接件焊接接头疲劳性能有重大影响。气孔的大小、数量，未焊透的分布位置及形式明显地影响铝合金焊接件焊接接头的疲劳性 能 0.引言 铝合金由于其质量轻、强度高、无磁性、耐腐蚀性好，广泛应用于汽车、铁路、航空航天等领域。焊接是铝合金零件最常见的连接方式，在铝合金焊接零件 在重复外力作用下会发生疲劳断裂，而疲劳破坏过程又这些问题往往会给用户造 成不可估量的巨大损失[1]。通过研究发现，铝合金焊件焊接接头发生疲劳破坏是 铝合金焊接断裂的主要原因，因此对铝合金焊接件进行全面分析，找出原因并提 出解决方案，提高铝合金焊接件有着重大意义[2，3]。近些年过高校和科研院所 对铝合金焊接件焊接接口做了大量研究工作，并取得了重大成果。周进等人通过 对5A02 铝合金焊接接头的疲劳性能进行分析，得出了补焊可以降低铝合金焊接 件焊接接口的疲劳强度（下降将近20%），可作为一种可靠的补救措施[4]。王德 俊通过对铝合金焊接接头焊缝几何特征的研究，得出了十字接头焊接方式比对接 接头焊接方式应力集中更严重的结论[5]。本文以6061铝合金为研究对象，分析 焊接缺陷铝合金焊接件疲劳性能的研究。 1.试验材料及试验方法 本试验需要的材料为铝合金和焊丝，其中铝合金选用6061铝板，焊丝选用5356焊丝，铝板采用对接焊接。这两种材料的化学成分如表1所示。 试验材料化学成分/% 将铝板通过焊丝分别用MIG焊和TIG焊两种方法进行焊接，不仅仅能够保证 铝合金焊接件内部化学成分的完整性，而且也可以提高铝合金焊接件的焊接质量。 在进行全部焊接之后还需要采用合理的方法对焊接物进行验伤处理，找出其 中存在的问题，并对出现问题的原因进行全面分析。焊后进行X射线探伤检验， 找出存在的问题并找到原因及时解决，将样品进行铣削加工，去除焊缝余高。为 获得样品真实状态，将样品铣削加工后再进行X射线探伤检测。在MTS万能试验机上进行疲劳试验，用JSM-35C显微镜对断口形状进行合理观察。 2.试验结果及分析 2.1疲劳试验 试验结果如表2所示，对试验结果进行整理、对比，可以发现无论6061铝合金焊接件的焊缝有无缺陷，发生疲劳破坏的均为焊接口。但是整个焊接过程是否 存在缺陷对存在的疲劳现象和相应寿命还有很重要的作用。但焊缝有无缺陷对其 寿命有明显影响，即有焊缝缺陷的样品其寿命明显低于无焊缝缺陷的样品，并且 随着缺陷尺寸的增大，疲劳寿命下降越多。 6061铝合金焊接接头疲劳性能 2.2疲劳断口特征 按照焊接接头的断裂过程疲劳断口一般分为裂纹源、疲劳裂纹扩展和最后断 金属基复合材料的种类与性能 摘要：金属基复合材料科学是一门相对较新的材料科学，仅有40余年的发展历史。金属基复合材料的发展与现代科学技术和高技术产业的发展密切相关，特备是航天、航空、电子、汽车以及先进武器系统的迅速发展对材料提出了日益增高的性能要求，除了要求材料具有一些特殊的性能外，还要具有优良的综合性能，有力地促进了先进复合材料的迅速发展。单一的金属、陶瓷、高分子等工程材料均难以满足这些迅速增长的性能要求。金属基复合材料正是为了满足上述要求而诞生的。 关键词：金属；金属基复合材料；种类；性能特征；用途 1. 金属基复合材料的分类 1.1按增强体类型分 1.1.1颗粒增强复合材料 颗粒增强复合材料是指弥散的增强相以颗粒的形式存在，其颗粒直径和颗粒间距较大，一般大于1μm。 1.1.2层状复合材料 这种复合材料是指在韧性和成型性较好的金属基材料中含有重复排列的高强度、高模量片层状增强物的复合材料。片曾的间距是微观的，所以在正常比例下，材料按其结构组元看，可以认为是各向异性的和均匀的。 层状复合材料的强度和大尺寸增强物的性能比较接近，而与晶须或纤维类小尺寸增强物的性能差别较大。因为增强物薄片在二维方向上的尺寸相当于结构件的大小，因此增强物中的缺陷可以成为长度和构件相同的裂纹的核心。 由于薄片增强的强度不如纤维增强相高，因此层状结构复合材料的强度受到了限制。然而，在增强平面的各个方向上，薄片增强物对强度和模量都有增强，这与纤维单向增强的复合材料相比具有明显的优越性。 1.1.3纤维增强复合材料 金属基复合材料中的一维增强体根据其长度的不同可分为长纤维、短纤维和晶须。长纤维又叫连续纤维，它对金属基体的增强方式可以以单项纤维、二维织物和三维织物存在，前者增强的复合材料表现出明显的各向异性特征，第二种材料在织物平面方向的力学性能与垂直该平面的方向不同，而后者的性能基本是个向同性的。连续纤维增强金属基复合材料是指以高性能的纤维为增强体，金属或他们的合金为基体制成的复合材料。纤维是承受载荷的，纤维的加入不但大大改变了材料的力学性能，而且也提高了耐温性能。 短纤维和晶须是比较随机均匀地分散在金属基体中，因而其性能在宏观上是各向同性的；在特殊条件下，短纤维也可以定向排列，如对材料进行二次加工（挤压）就可达到。 当韧性金属基体用高强度脆性纤维增强时，基体的屈服和塑性流动是复合材料性能的主要特征，但纤维对复合材料弹性模量的增强具有相当大的作用。 1.2按基体类型分 主要有铝基、镁基、锌基、铜基、钛基、镍基、耐热金属基、金属间化合物基等复合材料。目前以铝基、镁基、钛基、镍基复合材料发展较为成熟，已在航天、航空、电子、汽车等工业中应用。在这里主要介绍这几种材料 1.2.1铝基复合材料 这是在金属基复合材料中应用最广的一种。由于铝合金基体为面心立方结构，因此具有良好的塑性和韧性，再加之它所具有的易加工性、工程可靠性及价格低廉等优点，为其在工程上应用创造了有利条件。再制造铝基复合材料时通常并不是使用纯铝而是铝合金。这主要是由于铝合金具有更好的综合性能。 塑料的种类和主要特性及家具中的应用 A,主要特性 高压聚乙烯柔软、透明、无毒；低压聚乙烯刚硬、耐磨、耐蚀，电绝缘性较好 B,用途举例 :高压聚乙烯：薄膜、软管、塑料瓶；低压聚乙烯：化工设备、管道、承载不高的齿轮、轴承等 A,主要特性 :强度、硬度、弹性均高于聚乙烯，密度小，耐热性良好，电绝缘性能和耐蚀性能优良，韧性差，不耐磨，易老化B,用途举例 :法兰、齿轮、风扇叶轮、泵叶轮、把手、电视机(收录机) 壳体以及化工管道、容器、医疗器械等 A,主要特性 :较高的强度和较好的耐蚀性。软质聚氯乙烯，其伸长率高，制品柔软，耐蚀性和电绝缘性良好 B,用途举例废气排污排毒塔、气体液体输送管，离心泵、通风机、接头；软质PVC 薄膜、雨衣、耐酸碱软管、电缆包皮、绝缘层等 A,主要特性 :耐蚀性、电绝缘性、透明性好，强度、刚度较大，耐热性、耐磨性不高，抗冲击性差，易燃、易脆裂 B,用途举例 :纱管、纱绽、线轴；仪表零件、设备外壳；储槽、管道、弯头；灯罩、透明窗；电工绝缘材料等 5, 丙烯腈─丁二烯─苯乙烯共聚合物(ABS) A,主要特性 :较高强度和冲击韧度，良好的耐磨性和耐热性，较高的化学稳定性和绝缘性，易成形，机械加工性好，耐高、低温性能差，易燃，不透明 B,用途举例 齿轮、轴承、仪表盘壳、冰箱衬里以及各种容器、管道、飞机舱内装饰板、窗框、隔音板等，也可制作小轿车车身及档泥板、扶手、热空气调节导管等汽车零件6, 聚酰胺(PA)尼龙或锦纶 A,主要特性 强度、韧性、耐磨性、耐蚀性、吸振性、自润滑性良好，成形性好，无毒、无味。蠕变值较大，导热性较差，吸水性高，成形收缩率大 B,用途举例 尼龙610、66、6 等，制造小型零件(齿轮、蜗轮等)；芳香尼龙制作高温下耐磨的零件，绝缘材料和宇宙服等。应注意，尼龙吸水后性能及尺寸发生很大变化 A,主要特性 抗拉、抗弯强度高，冲击韧度及抗蠕变性能好，耐热性、耐寒性及尺寸稳定性较高，透明度高，吸水性小，良好的绝缘性和加工成形性，化学稳定性差垫圈、垫片、套管、电容器等绝缘件；仪表外壳、护罩；航空及宇航工业中制造信号灯、挡风玻 B,用途举例 复合材料概论总思考题 一．复合材料总论 1.什么是复合材料？复合材料的主要特点是什么？ ①复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。 ②1）组元之间存在着明显的界面；2）优良特殊性能；3）可设计性；4)材料和结构的统一 2.复合材料的基本性能（优点）是什么？——请简答6个要点 （1）比强度，比模量高（2）良好的高温性能（3）良好的尺寸稳定性（4）良好的化学稳定性（5）良好的抗疲劳、蠕变、冲击和断裂韧性（6）良好的功能性能 3.复合材料是如何命名的？如何表述？举例说明。4种命名途径 ①根据增强材料和基体材料的名称来命名，如碳纤维环氧树脂复合材料 ②(1) 强调基体：酚醛树脂基复合材料（2）强调增强体：碳纤维复合材料 （3）基体与增强体并用：碳纤维增强环氧树脂复合材料（4）俗称：玻璃钢 4.常用不同种类的复合材料(PMC，MMC，CMC)各有何主要性能特点？ PMC MMC CMC（陶瓷基） 使用温度60~250℃400~600℃1000~1500℃ 材料硬度低高最高 强度较高较高较高 耐老化性能差中优 导热性能差好一般 耐化学腐蚀性能好差好 生产工艺难易程度成熟居中最复杂 生产成本最低居中最高 5.复合材料在结构设计过程中的结构层次分几类，各表示什么？在结构设计过程中的设计层次如何，各包括哪些内容？3个层次 答：1、一次结构：由集体和增强材料复合而成的单层材料，其力学性能决定于组分材料的力学性能、相几何和界面区的性能； 二次结构：由单层材料层复合而成的层合体，其力学性能决定于单层材料的力学性能和铺层几何三次结构：指通常所说的工程结构或产品结构，其力学性能决定于层合体的力学性能和结构几何。 2、①单层材料设计：包括正确选择增强材料、基体材料及其配比，该层次决定单层板的性能； ②铺层设计：包括对铺层材料的铺层方案作出合理安排，该层次决定层合板的性能； ③结构设计：最后确定产品结构的形状和尺寸。 6.试分析复合材料的应用及发展。 答：①20世纪40年代，玻璃纤维和合成树脂大量商品化生产以后，纤维复合材料发展成为具有工程意义的材料。至60年代，在技术上臻于成熟，在许多领域开始取代金属材料。 ②随着航空航天技术发展，对结构材料要求比强度、比模量、韧性、耐热、抗环境能力和加工性能都好。针对不同需求，出现了高性能树脂基先进复合材料，标志在性能上区别于一般低性能的常用树脂基复合材料。以后又陆续出现金属基和陶瓷基先进复合材料。 ③经过60年代末期使用，树脂基高性能复合材料已用于制造军用飞机的承力结构，今年来又逐步进入其他工业领域。 纤维增强复合材料疲劳性能研究进展 宋磊磊李嘉禄 （天津工业大学复合材料研究所天津市和教育部共建先进纺织复合材料重点实验室天津 300160） 摘要：随着科技的发展，纤维增强复合材料作为一种新型材料越来越多的应用于众多领域。然而，纤维增强复合材料的疲劳性能对应用具有重要影响。本文根据近年来国内有关复合材料疲劳性能的研究和探索，综述了纤维增强复合材料疲劳性能的定义、机理以及影响因素，并提出了当前存在的一些问题。 关键词：纤维增强复合材料疲劳 1 前沿 随着科技的进步，很多工业特别是高新技术工业对材料的要求不断提高。复合材料由于比强度和刚度高、质量轻、耐磨性和耐腐蚀性好等优点，广泛应用于船舶、汽车、基础设施和航空航天等领域，以及文体用品、医疗器械、生物工程、建筑材料、化工机械等方面。 在复合材料构件的使用过程中，由于应力和环境等因素的影响，会逐渐产生构件的损伤以至破坏，其主要破坏形式之一是疲劳损伤。疲劳损伤的产生、扩展与积累会加速材料的老化，造成材料耐环境性能严重下降以及强度与刚度的急剧损失，大大降低其使用寿命，甚至报废。为了使复合材料的应用更加广泛和深入，本文综述了近年来在纤维增强复合材料疲劳性能方面的研究。 2 复合材料疲劳性能及损伤机理 在周期性交变载荷作用下材料发生的破坏行为称为疲劳，它记述了材料经受周期应变或应变时的失效过程。复合材料疲劳主要是指复合材料构件在交变荷载作用下的疲劳损伤机理、疲劳特性（强度、刚度随着时间变化规律及其破坏规律）、寿命预测及疲劳设计。 复合材料是非均质（在大尺度上）和各向异性的，它以整体的方式积累损伤，且失效并不总是由一个宏观裂纹的扩展导致。损伤积累的微观机构机理，包括纤维断裂基体开裂、脱粘、横向层开裂和分层等，这些机理有时独立发生，有时以互相作用的方式发生，而且材料参数和试验条件可能强烈影响其主要优势。多种损伤及其组合，使疲劳损伤扩展往往缺乏规律性，完全不像大多数金属材料那样能观察到明显的单一主裂纹扩展，复合材料不仅初始缺陷/损伤大，而且在疲劳破坏发生之前，疲劳损伤已有了相当大的扩展。 3 影响复合材料疲劳性能的主要因素 3.1 基体材料 Boller研究了基体材料对玻璃纤维增强复合材料疲劳性能的影响，研究证明，不同的基体材料具有完全不同的疲劳性能。一般情况下，疲劳性能最好的是环氧树脂。 很多复合材料的疲劳试验证明，基体和界面是薄弱环节。尽管树脂含量的变化在106次循 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 1 /2； min） 2 应力； ②不对称循环：σm≠0，-1 ④波动循环：σm>σa，0 ②疲劳破坏属于低应力循环延时断裂，对于疲劳寿命的预测显得十分重要和必要； ③疲劳对缺陷（缺口、裂纹及组织）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 出现两个疲劳源。 （2）疲劳裂纹扩展区（亚临界扩展区）? 疲劳裂纹扩展区特征为断口较光滑并分布有贝纹线或裂纹扩展台阶。贝纹线是疲劳区最典型的特征，是一簇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。近疲劳源区贝纹线较细密（裂纹扩展较慢），远 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 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 塑胶料的种类与特点 PP塑料，化学名称：聚丙烯。英文名称:Polypropylene（简称PP），比重:0.9-0.91克/立方厘米成型收缩率:1.0-2.5% 成型温度：160-220℃ 。 特点：密度小,强度刚度,硬度耐热性均优于低压聚乙烯,可在100度左右使用.具有良好的电性能和高频绝缘性不受湿度影响,但低温时变脆、不耐磨、易老化. 适于制作一般机械零件,耐腐蚀零件和绝缘零件。 成型特性： 1.结晶料,吸湿性小,易发生融体破裂,长期与热金属接触易分解。 2.流动性好,但收缩范围及收缩值大,易发生缩孔.凹痕,变形。 3.冷却速度快,浇注系统及冷却系统应缓慢散热,并注意控制成型温度.料温低温高压时容易取向,模具温度低于50度时,塑件不光滑,易产生熔接不良,流痕,90度以上易发生翘曲变形。 4.塑料壁厚须均匀,避免缺胶,尖角,以防应力集中。 ABS塑料 特点： 1、综合性能较好,冲击强度较高,化学稳定性,电性能良好. 2、与372有机玻璃的熔接性良好,制成双色塑件,且可表面镀铬,喷漆处理. 3、有高抗冲、高耐热、阻燃、增强、透明等级别。 4、流动性比HIPS差一点，比PMMA、PC等好，柔韧性好。 ABS工程塑料具有优良的综合性能，有极好的冲击强度、尺寸稳定性好、电性能、耐磨性、抗化学药品性、染色性，成型加工和机械加工较好。ABS树脂耐水、无机盐、碱和酸类，不溶于大部分醇类和烃类溶剂，而容易溶于醛、酮、酯和某些氯代烃中。 ABS工程塑料的缺点：热变形温度较低，可燃，耐候性较差。 用途：适于制作一般机械零件,减磨耐磨零件,传动零件和电讯零件. ABS+PC， 俗称ABS加聚碳。是国内少数几种可能透用的合料之一，不能自燃，外火燃烧时，表面有象聚碳燃烧一样的小颗粒析出，黑色低于ABS，常见于电器件、机械零配件等 聚酰胺(PA，俗称尼龙) PA是特性:坚韧、牢固、耐磨，无毒性. 缺点:不可长期与酸碱接触。 常用于制作梳子、牙刷、衣钩、扇骨、网袋绳、水果外包装袋等。 1、什么是塑料 塑料是在一定条件下，一类具有可塑性的高分子材料的通称，一般按照它的热熔性把它们分成：热固性塑料和热塑性塑料。它是世界三大有机高分子材料之一（三大高分子材料是塑料，橡胶，纤维）。 塑料的英文名是plastic，俗称：塑胶。 a）热塑性塑料。热塑性塑料是指加热后会熔化，可流动至模具，冷却后成型，在加热后又会 熔化的塑料。即可运用加热及冷却，使其产生可逆变化（液态?固态），即物理变化。通用的热塑性其连续使用温度在100℃以下，PP除外。 b）热固性塑料。热固性塑料是指在受热或其他条件下固化后不溶于任何溶剂，且不会用加热的方法使其再次软化的塑料。热固性塑料加热温度过高就会分解。如酚醛塑料（俗称电木）、环氧塑料等。 1）为什么有人称塑料为树脂？ 人类最早认识的高分子材料都是树皮割破后流出的液体的提取物，呈粘稠状，也就是说它是树中提取的脂。因此，目前仍然有很多人把这种高分子材料叫树脂。但随着现代化工工业的发展，现在所用的高分子材料都是石油化工产品或石油化工的副产品或石油合成产品。现代的塑料已经不是树中提取物了，而是石化产品。 2）塑料的本色和牌号 一般的塑料合成以后，从合成塔出来，都是面粉状的粉末，不能用来直接生产产品，这就是人们常说的从树汁中提取出脂的成份是一样的，也称为树脂，也叫粉料，这是一种纯净的塑料，它流动性差，热稳定性低，易老化分解，不耐环境老化；因此，人们为了改善以上缺陷，在树脂粉中加入热稳定剂，抗老化剂，抗紫外光剂，加入增塑剂增加它的流动性，生产出适应各种加工工艺的，有特殊性能的，不同牌号的塑料品种。所以，同一种塑料品种有很多牌号，如：ABS就有注塑级的，有挤出级的，有电镀级的，有高刚性的，有很大柔韧性的等，这才是目 前人们普遍所使用的塑料，它们都经过造粒，都是颗粒料。每一种牌号的塑料，适应每一种工艺，或注塑，或挤出，或压延，或吸塑等。 3）塑料的分子结构 一般塑料的分子结构，都是线性的高分子链或带支链的高分子链段，有结晶和非结晶两种，塑料材料的性能与其结晶性能有很大的关系，与其分子结构有很大的关系，也与其组成的元素有很大的关系，一般来说，塑料的结晶率越大，其透光性就越差； 带脂基的，带氨基的，带醇基的，比较易吸水，比较容易因水的作用分解，加工时，也比较难烘干；(PA（聚酰胺）,PC（聚碳酸酯）,PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）,PBT（聚对苯二甲酸丁二醇酯），PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）) 带烯烃基的，塑料的柔性较好。（PE（聚乙烯）,PP（聚丙烯）） 带苯环的，塑料比较刚硬。(PS（聚苯乙烯）) 由于塑料的分子结构千差万别，形成了不同品种的，性能差异很大，不同牌号的上万种产品。 I C S83.120 Q23 中华人民共和国国家标准 G B/T35465.2 2017聚合物基复合材料疲劳性能测试方法第2部分:线性或线性化应力寿命(S-N)和应变寿命(ε-N)疲劳数据的统计分析 T e s tm e t h o d f o r f a t i g u e p r o p e r t i e s o f p o l y m e rm a t r i x c o m p o s i t em a t e r i a l s P a r t2:S t a t i s t i c a l a n a l y s i s o f l i n e a r o r l i n e a r i z e d s t r e s s-l i f e(S-N)a n d s t r a i n-l i f e(ε-N)f a t i g u e d a t a 2017-12-29发布2018-11-01实施中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局 前言 G B/T35465‘聚合物基复合材料疲劳性能测试方法“分为3个部分: 第1部分:通则; 第2部分:线性或线性化应力寿命(S-N)和应变寿命(ε-N)疲劳数据的统计分析; 第3部分:拉-拉疲劳三 本部分为G B/T35465的第2部分三 本部分按照G B/T1.1 2009给出的规则起草三 本部分由中国建筑材料联合会提出三 本部分由全国纤维增强塑料标准化技术委员会(S A C/T C39)归口三 本部分主要负责起草单位:北京玻钢院复合材料有限公司三 本部分参加起草单位:新疆金风科技股份有限公司二中材科技风电叶片股份有限公司二明阳智慧能源集团股份公司二泰山玻璃纤维有限公司二上海玻璃钢研究院有限公司二四川东树新材料有限公司二山东非金属材料研究所二德劳工业服务(上海)有限公司三 本部分主要起草人:彭兴财二李小明二高克强二王艳丽二刘利锋二姜侃二杨德旭二张旭二孙林二孙秀平三 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，2009 2.束德林.金属力学性能.北京：机械工业出版社，1995 3.石德珂，金志浩等.材料力学性能.西安：西安交通大学出版社，1996 4.郑修麟.材料的力学性能.西安：西北工业大学出版社，1994 5.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，1991 6.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 塑料的种类和主要特性及家具中的应用一热塑性塑料 1，聚乙烯(PE) A,主要特性 高压聚乙烯柔软、透明、无毒；低压聚乙烯刚硬、耐磨、耐蚀，电绝缘性较好 B,用途举例 :高压聚乙烯：薄膜、软管、塑料瓶；低压聚乙烯：化工设备、管道、承载不高的齿轮、轴承等 2, 聚丙烯(PP) A,主要特性 :强度、硬度、弹性均高于聚乙烯，密度小，耐热性良好，电绝缘性能和耐蚀性能优良，韧性差，不耐磨，易老化 B,用途举例 :法兰、齿轮、风扇叶轮、泵叶轮、把手、电视机(收录机) 壳体以及化工管道、容器、医疗器械等 3, 聚氯乙烯(PVC) A,主要特性 :较高的强度和较好的耐蚀性。软质聚氯乙烯，其伸长率高，制品柔软，耐蚀性和电绝缘性良好 B,用途举例 废气排污排毒塔、气体液体输送管，离心泵、通风机、接头；软质PVC薄膜、雨衣、耐酸碱软管、电缆 包皮、绝缘层等 4, 聚苯乙烯(PS) A,主要特性 :耐蚀性、电绝缘性、透明性好，强度、刚度较大，耐热性、耐磨性不高，抗冲击性差，易燃、易脆裂 B,用途举例 :纱管、纱绽、线轴；仪表零件、设备外壳；储槽、管道、弯头；灯罩、透明窗；电工绝缘材料等 5, 丙烯腈─丁二烯─苯乙烯共聚合物（ABS） A,主要特性 :较高强度和冲击韧度，良好的耐磨性和耐热性，较高的化学稳定性和绝缘性，易成形，机械加工性好，耐高、低温性能差，易燃，不透明 B,用途举例 齿轮、轴承、仪表盘壳、冰箱衬里以及各种容器、管道、飞机舱内装饰板、窗框、隔音板等，也可制作 小轿车车身及档泥板、扶手、热空气调节导管等汽车零件6, 聚酰胺(PA)尼龙或锦纶 A,主要特性 强度、韧性、耐磨性、耐蚀性、吸振性、自润滑性良好，成形性好，无毒、无味。蠕变值较大，导热性 较差，吸水性高，成形收缩率大 B,用途举例 尼龙610、66、6等，制造小型零件(齿轮、蜗轮等)；芳香尼龙制作高温下耐磨的零件，绝缘材料和宇宙 服等。应注意，尼龙吸水后性能及尺寸发生很大变化 7, 聚碳酸酯(PC) A,主要特性 抗拉、抗弯强度高，冲击韧度及抗蠕变性能好，耐热性、耐寒性及尺寸稳定性较高，透明度高，吸水性 小，良好的绝缘性和加工成形性，化学稳定性差 B,用途举例 镁合金疲劳性能的研究现状 高洪涛,吴国华,丁文江 (上海交通大学材料科学与工程学院,上海200030) 摘要:针对近几年镁合金疲劳性能的研究进行总结,从冶金因素、形状因素、加载制度、介质和温度等方面考察对镁合金疲劳性能的影响。归纳提高镁合金抗疲劳性能的途径:热处理、滚压强化和喷丸处理等。提出对镁合金疲劳性能研究的展望。 关键词:镁合金;疲劳性能;影响因素;强化途径 中图分类号:TG146.2 文献标识码:A 文章编号:1000-8365(2003)04-0266-03 Review on the Fatigue Behavior of Magnesiu m Alloys GAO Hong-tao,W U Guo-hua,DI NG W en-jiang (Schoo l of M aterials Science and Engineering,Shang hai Jiaotong U niversity,Shang hai200030,China) A bstract:This report provides some of the results of magnesium alloy s studying,especially about its fatigue behavior, in recent years.The facto rs that influence the fatigue behavior of magnesium alloy s can be given from several aspects of metallurgy,form factor,loading system,medium and tem perature.The strengthening methods can be concluded in three aspects.One is heat treatment;the o ther tw o are roller burnishing and shot blasting.In addition,the prospect of fatigue behavio r observation on mag nesium alloy s is discussed. Key words:M ag nesium alloy;Fatigue behavior;Influencing factors;Strengthening approach 综合性能优良的镁合金已大量应用于航空航天、汽车、电子等领域[1]。据预测,从2001～2007年,镁合金铸件在汽车上的用量将以25%～30%速度递增[2]。 随着镁合金需求的急剧增加,对其性能要求也越来越高。本文总结近几年镁合金疲劳性能方面的研究,以及提高其性能的建议。 1 镁合金的疲劳与断裂 M g属于密排六方结构,此类金属的塑性变形取决于c/a(c为点阵的高,a为基面的边长),Mg的c/a=1.6235,略小于按原子为等径刚球模型计算出的轴比1.633。孪晶和疲劳变形与现存孪晶的结合是疲劳变形的主要形式,滑移带沿着孪晶带堆积的区域是一些常见的裂纹源。许多微裂纹是一些微空洞造成的。位错环集团是Mg典型的疲劳位错结构。 镁合金的疲劳断裂是由最大剪应力控制的,并且沿着最大剪应力方向扩展。它的解理断裂发生在高指数面上,并且裂纹的形态因孪晶和滑移而强烈变化着。镁合金疲劳断裂结构中也有一些韧窝特征,它们来源于加载过程中出现并长大直到在塑性应变和塑性断裂条件下联合起来的微空洞,在沉淀相-基体界面处结合力较小,沉淀相或者夹杂物的破碎、局部的应力集中 收稿日期:2003-02-17; 修订日期:2003-03-24 基金项目:国家863计划资助项目,编号:200233AA1100. 作者简介:高洪涛(1976- ),河南洛阳人,博士生.研究方向:镁合金的研究与开发.都可能形成一些微空洞。 2 影响镁合金疲劳性能的因素 2.1 冶金因素 微观组织对疲劳裂纹的萌生和扩展有很大的影响[3]。砂型铸造M g-Zn-Zr合金,不管是铸态还是热处理态,晶粒越粗大,疲劳强度越低。另外,第2相质点或颗粒也影响镁合金的疲劳行为,第2相的切变模量和第2相质点间的平均距离是影响疲劳裂纹扩展速率的重要参数。另外,在小的ΔK区域,镁合金位错密度越高,疲劳裂纹扩展速率就越低。 镁基复合材料的疲劳性能与断裂特征与其基体上增强颗粒和晶须的尺寸和形态关系密切[4],含20% SiC晶须的AZ91D镁基复合材料低周疲劳断裂后发现,由于晶须散乱的分布于基体之上,裂纹表面粗糙并且裂纹扩展路径看起来很弯曲。断裂组织观察表明疲劳断裂扩展区和最后断裂区没有明显区别,并且特征是解理断裂。 在冶炼过程中,不可避免的引进一些夹杂物。这些夹杂物引起应力集中从而降低镁合金的抗疲劳能力,如果夹杂物是尖角,危害更大。夹杂物分布不均匀时,也会降低疲劳强度。 2.2 形状因素 (1)缺口敏感性及表面状况 镁合金比铝合金和钛合金有更大的缺口敏感性,变形镁合金比铸造镁合金有更大的缺口敏感性。 · 266· 铸造技术 FO UN DRY TECHN OLOG Y V ol.24N o.4 Jul.2003 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，2009 2.束德林.金属力学性能.北京：机械工业出版社，1995 3.石德珂，金志浩等.材料力学性能.西安：西安交通大学出版社，1996 4.郑修麟.材料的力学性能.西安：西北工业大学出版社，1994 5.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，1991 6.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 塑料的分类 一、按使用特性分类 根据名种塑料不同的使用特性，通常将塑料分为通用塑料、工程塑料和特种塑料三种类型。 ①通用塑料 一般是指产量大、用途广、成型性好、价格便宜的塑料。通用塑料有五大品种，即聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯及ABS。它们都是热塑性塑料。 ②工程塑料 一般指能承受一定外力作用，具有良好的机械性能和耐高、低温性能，尺寸稳定性较好，可以用作工程结构的塑料，如聚酰胺、聚砜等。 在工程塑料中又将其分为通用工程塑料和特种工程塑料两大类。 通用工程塑料包括：聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、改性聚苯醚、热塑性聚酯、超高分子量聚乙烯、甲基戊烯聚合物、乙烯醇共聚物等。 特种工程塑料又有交联型的非交联型之分。交联型的有：聚氨基双马来酰胺、聚三嗪、交联聚酰亚胺、耐热环氧树指等。非交联型的有：聚砜、聚醚砜、聚苯硫醚、聚酰亚胺、聚醚醚酮（PEEK）等 ③特种塑料 一般是指具有特种功能，可用于航空、航天等特殊应用领域的塑料。如氟塑料和有机硅具有突出的耐高温、自润滑等特殊功用，增强塑料和泡沫塑料具有高强度、高缓冲性等特殊性能，这些塑料都属于特种塑料的范畴。 a.强塑料:增强塑料原料在外形上可分为粒状（如钙塑增强塑料）、纤维状（如玻璃纤维或玻璃布增强塑料）、片状（如云母增强塑料）三种。按材质可分为布基增强塑料（如碎布增强或石棉增强塑料）、无机矿物填充塑料（如石英或云母填充塑料）、纤维增强塑料（如碳纤维增强塑料）三种。 b.泡沫塑料:泡沫塑料可以分为硬质、半硬质和软质泡沫塑料三种。硬质泡沫塑料没有柔韧性，压缩硬度很大，只有达到一定应力值才产生变形，应力解除后不能恢复原状；软质泡沫塑料富有柔韧性，压缩硬度很小，很容易变形，应力解除后能恢复原状，残余变形较小；半硬质泡沫塑料的柔韧性和其他性能介于硬质他软质泡沫塑料之间。 二、按理化特性分类 根据各种塑料不同的理化特性，可以把塑料分为热固性塑料和热塑料性塑料两种类型。 ⑴热固性塑料 热固性塑料是指在受热或其他条件下能固化或具有不溶（熔）特性的塑料，如酚醛塑料、环氧塑料等。热固性塑料又分甲醛交联型和其他交联型两种类型。受热时变软，冷却时变硬，能反复软化和硬化并保持一定的形状。可溶于一定的溶剂，具有可熔可溶的性质。热塑性塑料具有优良的电绝缘性，特别是聚四氟乙烯（PTFE）、聚苯乙烯(PS)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)都具有极低的介电常数和介质损耗，宜于作高频和高电压绝缘材料。热塑性塑料易于成型加工,但耐热性较低,易于蠕变,其蠕变程度随承受负荷、环境温度、溶剂、湿度而变化。为了克服热塑性塑料的这些弱点,满足在空间技术、新能源开发等领域应用的需要，各国都在开发可熔融成型的耐热性树脂，如聚醚醚酮（PEEK）、聚醚砜(PES)、聚芳砜(PASU)、聚苯硫醚(PPS)等。以它们作为基体树脂的复合材料具有较高的力学性能和耐化学腐蚀性，能热成型和焊接，层间剪切强度比环氧树脂好。如用聚醚醚酮作为基体树脂与碳纤维制成复合材料，耐疲劳性超过环氧／碳纤维。它的耐冲击性好，在室温下具有良好的耐蠕变性，加工性好，可在240～270℃连续使用，是一种非常理想的耐高温绝缘材料。用聚醚砜作为基体树脂与碳纤维制成的复合材料在200℃具有较高的强度和硬度,在-100℃尚能保持良好的耐冲 力学性能是材料最重要的性能。树脂基复合材料具有比强度高、比模量大、抗疲劳性能好等优点，用于承力结构的树脂基复合材料利用的是它的这种优良的力学性能，而利用各种物理、化学和生物功能的功能复合材料，在制造和使用过程中，也必须考虑其力学性能，以保证产品的质量和使用寿命。 1、树脂基复合材料的刚度 树脂基复合材料的刚度特性由组分材料的性质、增强材料的取向和所占的体积分数决定。树脂基复合材料的力学研究表明，对于宏观均匀的树脂基复合材料，弹性特性复合是一种混合效应，表现为各种形式的混合律，它是组分材料刚性在某种意义上的平均，界面缺陷对它作用不是明显。 由于制造工艺、随机因素的影响，在实际复合材料中不可避免地存在各种不均匀性和不连续性，残余应力、空隙、裂纹、界面结合不完善等都会影响到材料的弹性性能。此外，纤维（粒子）的外形、规整性、分布均匀性也会影响材料的弹性性能。但总体而言，树脂基复合材料的刚度是相材料稳定的宏观反映。 对于树脂基复合材料的层合结构，基于单层的不同材质和性能及铺层的方向可出现耦合变形，使得刚度分析变得复杂。另一方面，也可以通过对单层的弹性常数（包括弹性模量和泊松比）进行设计，进而选择铺层方向、层数及顺序对层合结构的刚度进行设计，以适应不同场合的应用要求。 2、树脂基复合材料的强度 材料的强度首先和破坏联系在一起。树脂基复合材料的破坏是一个动态的过程，且破坏模式复杂。各组分性能对破坏的作用机理、各种缺陷对强度的影响，均有街于具体深入研究。 树脂基复合材强度的复合是一种协同效应，从组分材料的性能和树脂基复合材料本身的细观结构导出其强度性质。对于最简单的情形，即单向树脂基复合材料的强度和破坏的细观力学研究， 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 ④波动循环：σ m >σ a ，0 泡沫塑料的特性及种类 一、泡沫塑料的特性 （1）容重很低，可减轻包装重量，降低运输费用； （2）具有优良的冲击、振动能量的吸收性，用于缓冲防震包装能大大减少产品的破损； （3）对温、湿度的变化适应性强，能满足一般包装情况的要求； （4）吸水率低、吸湿性小，化学稳定性好，本身不会对内装物产生腐蚀，且对酸、碱等化学药品有较强的耐受性； （5）导热率低，可用于保温隔热包装，如冰淇淋杯、快餐容器及保温鱼箱等； （6）成型加工方便，可以采用模压、挤出、注射等成型方法制成各种泡沫衬垫、泡沫块、片材等。容易进行二次成型加工，如泡沫板材经热成型可制成各种快餐容器等。 另外，泡沫塑料块也可用粘合剂进行自身粘接或与其它材料粘接，制成各种缓冲衬垫等。 二、泡沫塑料的种类 1、按泡沫塑料的品种分类： EPE俗称“珍珠棉”；EPP俗称“保力龙”；EPS俗称“拿普龙”；软质PU俗称“海绵”；硬质PU俗称“黑料”；UF俗称“花泥”；EVA俗称鞋底料。 2、按泡沫塑料的密度分类： 高发泡塑料，制品相对密度小于0.1；中发泡塑料，制品相对密度在0.1-0.4之间；低发泡塑料，制品相对密度大于0.4。 3、按泡沫塑料的硬度分类： 软质泡沫塑料，弹性模量小于70MPa；半硬质泡沫塑料，弹性模量在70~700MPa之间；硬质泡沫塑料，弹性模量大于700MPa。 4、按泡沫塑料制品内气孔是否连通分类： 开孔泡沫塑料指制品内各个气孔相互连通，可用于过滤材料；闭孔泡沫塑料指制品内各个气孔相互分隔，因其不吸水，可用于漂浮材料。 5、按泡沫塑料制品表面状态分类： 普通泡沫塑料，制品内部与表面发泡程度相同；结构泡沫塑料，制品内部与表面发泡程度不同，表面只含有少量气孔或不含气孔。结构泡沫塑料可以代替木材，因此也被称为合成木材，常用于汽车门把手等。铝合金焊接接头疲劳性能研究 张禧铭
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