2.2.2材料的疲劳特性(二)
铝合金焊接接头疲劳性能研究 张禧铭
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
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。
复合材料总思考题及参考答案
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。
Ncode-SN疲劳耐久参数资料讲解
1 疲劳分析 1.1 S-N法参数设置 1.1.1 FE Results/ResultSet: 1）VibrationOffset：只针对振动疲劳分析，在做振动疲劳时是否考虑预应力（需要在有限元结果文件中定义一单独工况输出）的影响。 2）IncludeTemperatures:是否读取有限元结果中温度变量（如果有限元结果中没有温度输出或者疲劳计算不考虑温度影响，设置为False）。 3）IncludeEquivalentPlasticStrain：是否读取有限元结果中等效塑形应变，一般适用于EN法，SN法设置为False即可。 4）IncludeDisplacements：是否把有限元模型上的节点位移写入Ncode计算的临时文件中，保持默认None 即可。 5）FERsults：对于大部分分析保持默认Standard即可，StateVariables只针对特殊分析（如复合材料分析等）。 1.1.2 FE Results/AnasysisGroup: 1）SelectionGroupType：定义疲劳分析对象的方法。 FEInput:只分析Ncode FEInput Glyph模块中当前显示的单元。如下图
Property：通过区分有限元结果中部件属性的不同来定义。 Material：通过区分有限元结果文件中材料不同来定义。 ElementSet：通过读取有限元结果文件定义的单元集来定义。 UserSet：用户自定义，一般是读取一个文本文件，此文件包含所有所分析单元的ID号。 2）GroupNames：分析组名称（与上一条配合使用）。 *：ALL。 举例，假如我们需要分析部件Property ID号为1、13 和25的三个部件，其中ID 1和13为壳，ID 25为实体。 我们需要在上一条中选择：Property，在GroupNames 中输入：SHELL_1,SHELL_13,SOLID_25 SHELL代表此部件为板壳结构后紧跟一下划线然后是此部件的属性ID号。各部件用，隔开。 3）MaterialAssignmentGroup：疲劳材料分配分组方法。保持默认SelectionGroup即可。 4）IgnoreZeroData:是否把有限元结果中或者历程文件中不存在数据的片段写入到Ncode临时计算文件中，设置为True可以忽略这些时间段，加快计算速度。 5）SolutionLocation:疲劳计算位置点选取。 Element：单元中心点 NodeOnElement：单元节点 AveragedNodeOnElement：平均后的单元节点 Spotweld或者SeamWeld只针对点焊或者缝焊等特殊情况，此处略过。 6）EntityDataType:分析变量。 Stress：分析对象为应力，一般由有限元软件计算得到的弹性应力。 LinearStrain：分析对象为线性应变，不考虑几何非线性及接触等。 ForceMoment：只针对焊点、焊缝等分析。 Displacement：只适用于焊缝分析。 Vibration：假如载荷谱输入为PSD或者扫频，此处选择Vibration。 StressAndStrain：此方法适用于EN法或者多轴EN法，一般来说用于直接读取有限元结果文件的塑形信息而不是通过弹塑性修正方法得到塑形信息的情况。 7）SurfaceNodeOnly:是否只计算部件表面的节点（疲劳中一般裂纹萌生都发生在部件的表面），针对实体部件此选项设置为True可以加快计算速度，对于钣金件是否设置此选项无差别。 8）ResolveToLocal:是否把表面节点的结果映射到局部坐标系中，设置为True可以加快计算速度。 9）ShellLayer：壳单元上下面 TopAndBottom：壳单元的上下表面都计算。 All：只针对复合材料。 10）StressGradients：应力梯度，如果要考虑应力梯度，设置为True。 11）MaterialOrientationTensor:材料方向张量，只针对复合材料分析，其它分析设置为False。
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 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 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 金属材料力学性能基本知识 及钢材的脆化 金属材料是现代工业、农业、国防以及科学技术各个领域应用最广泛的工程材料，这不仅是由于其来源丰富,生产工艺简单、成熟,而且还因为它具有优良的性能。 通常所指的金属材料性能包括以下两个方面: 1．使用性能即为了保证机械零件、设备、结构件等能正常工作，材料所应具备的性能,主要有力学性能(强度、硬度、刚度、塑性、韧性等）,物理性能（密度、熔点、导热性、热膨胀性等),化学性能(耐蚀性、热稳定性等)。使用性能决定了材料的应用范围,使用安全可靠性和使用寿命。 2 工艺性能即材料在被制成机械零件、设备、结构件的过程中适应各种冷、热加工的性能,例如锻造,焊接，热处理，压力加工,切削加工等方面的性能。工艺性能对制造成本、生成效率、产品质量有重要影响。 1．1材料力学基本知识 金属材料在加工和使用过程中都要承受不同形式外力的作用，当外力达到或超过某一限度时,材料就会发生变形以至断裂。材料在外力作用下所表现的一些性能称为材料的力学性能。锅炉压力容器材料的力学性能指标主要有强度、硬度、塑性、韧性等这些性能指标可以通过力学性能试验测定。 1．1．１强度 金属的强度是指金属抵抗永久变形和断裂的能力。材料强度指标可以通过拉伸试验测 出。把一定尺寸和形状的金属试样（图1~２)装夹在试验机上，然后对试样逐渐施加拉伸载荷，直至把试样拉断为止。根据试样在拉伸过程中承受的载荷和产生的变形量之间的关系，可绘出该金属的拉伸曲线(图１—3)。在拉伸曲线上可以得到该材料强度性能的一些数据。图1—３所示的曲线，其纵坐标是载荷P(也可换算为应力d),横坐标是伸长量ＡL(也可换算为应变ｅ)。所以曲线称为P—AL曲线或一一s曲线。图中曲线A是低碳钢的拉伸曲线,分析曲线A,可以将拉伸过程分为四个阶段: 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 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 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 磨损 磨损是由摩擦引起的、在阀门密封副中普遍存在的现象。磨损是密封副三种主要破坏形式之一，即磨损、腐蚀和断裂。摩擦处处存在．磨损处处都有。摩擦与磨损是两个不同的概念，摩擦是能量的转换，磨损是材料的损耗。 磨损的定义： 材料磨损是两个以上的物体摩擦表面在法向力的作用下，相对运动及有关介质、温度环境等的作用使其发生形状、尺寸、组织和性能变化的过程。 不同的国家、机构对磨损的定义不尽相同，主要有以下五种： (1)英国的机械工程师协会所下定义为：由于机械作用而造成的物体表面材料的逐渐消耗。（强调机械的作用） (2)前苏联的克拉盖尔斯基所下的定义为：由于摩擦结合力的反复扰动而造成的材料破坏。（强调疲劳的作用） (3) 美国材料试验学会（ASTM）标准关于磨损的定义：由于物体的表面与相接触的物质间的相对运动造成物体表面的损伤，还常有材料的逐渐损失。 (4)联邦德国标准对于磨损的定义：磨损是一个物体由于机械的原因，即与另一个固体的、液体的或气体的配对件发生接触和相对运动，而造成的表面材料不断损失的过程。 (5) OECD(欧洲经济合作和发展组织)关于磨损的定义：磨损是物体由于其表面相对运动，而承载表面上不断出现材料损失的过程。 由上述有关磨损的定义，可以看到材料的磨损有三大要素： 1.材料的表面特性 2.与另一物质（固体、液体及气体）的接触特性，即接触方式、力的传递、表面变形等 3.相对运动 磨损的分类： 磨损按照表面破坏机理特征分为磨粒磨损、粘着磨损、表面疲劳磨损、腐蚀磨损和微动磨损等。磨粒磨损、粘着磨损、腐蚀磨损是阀门密封面主要的磨损类型。 影响磨损的因素： 通常软固体比硬固体更容易磨损，而且磨损随着载荷和滑动距离的增加而增加。但也有例外，如聚乙烯比钢软，磨损反而小。 磨损影响因素很多又十分复杂，其中环境因素、润滑条件、工作条件，还有材料性质等诸多因素。阀门密封副的磨损主要受材料的物理化学性能、介质、温度、载荷的影响而引起变化。 磨损系数： 由磨损引起的材料损失量，称为磨损量。材料磨损量的量度包括：线磨损量、体积磨损量、质量磨损量以及通常用的磨损速率、耐磨性和相对耐磨性等等。 研究不同的密封副材质之间的磨损系数，是国内外计算磨损的常用方法。这是由于它综合考虑了载荷和磨程等因素的影响。 由于材料磨损性能不是材料的固有特性，而是与磨损过程中的工作条件（如载荷、速度、温度、环境因素等），材料本身性能及相互作用等有关的系统特性。因此，脱离材料的工作条件（工况）来评定材料耐磨性的好坏是没有实际意义的。所以，在评定各种材料耐磨性时，采用二种“标准”材料（Cu-Zn-Pb 合金、Pb-Sn 合金）为参考试样，用试验材料与参考试样在相同磨损条件下试验结果来进行评定。 材料的相对耐磨性定义为：在相同磨损条件下（同一工况条件下）．试验材料的耐磨性和标准材料耐磨性的比值。可表示为： ==εεε试验相对标准试验试样的磨损量标准试样的磨损量 磨损系数是ε相对的倒数，K=1/ε相对 浅析材料的疲劳现象、影响因子及预防措施提起疲劳，人们可能会想到熬夜加班后的困倦和全身酸痛，或者电视里常常报道的车祸“元凶”。材料在使用过程中也存在着疲劳现象，而且材料疲劳的危害不亚于疲劳驾驶。船舶、汽车、动力机械、工程机械、冶金、石油等机械以及铁路桥梁等的主要零件和构件，大多在循环变化的载荷下工作，疲劳是其主要的失效形式。在一些服役时间较长材料的开发与应用中，其疲劳性能也必须纳入考虑。 1.疲劳的概念及现象 疲劳（Fatigue）是指材料、零件和构件在循环加载下，在某点或某些点产生局部的永久性损伤，并在一定循环次数后形成裂纹、或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象。 早在19世纪就已查阅到多起严重的疲劳破坏事故报道，由于当时显微观测水平不够发达，疲劳损伤无法观测，疲劳破坏会在没有任何先兆的情况下产生，所以疲劳一度被认为是材料中发生的一种不可思议的奇妙现象。1842年轰动欧洲的法国凡尔赛铁路事故，使众多科学家开始对疲劳破坏展开深入的思考与讨论，开启人们对金属疲劳系统的研究。时至今日，疲劳相关研究领域发展蓬勃，有关疲劳研究的文章已超15万篇。 图1 描绘凡尔赛铁路事故惨状的油画图2 铁轨的疲劳断裂 2.疲劳性能的影响因素 根据目前的研究，影响疲劳性能的因素有很多，主要总结如下： 表1 影响疲劳性能的因素 工作环境的影响：金属材料的疲劳极限一般是随着温度的降低而增加的。但随着温度的下降，材料的断裂韧性也下降，表现出低温脆性。一旦出现裂纹，则易于发生失稳断裂。对此，应当十分注意。高温将降低材料的强度，可能引起蠕变，对疲劳也是不利的。同时还应注意，为改善疲劳性能而引入的残余应力，也会因温度升高而消失。 在海水、水蒸气、酸、碱溶液等腐蚀介质环境下的疲劳，腐蚀介质的作用对疲劳是不利的。腐蚀疲劳过程是力学作用与化学作用的综合过程，其破坏机理十分复杂。腐蚀环境通常会使材料表面氧化。在一般的情况下，氧化膜层可起保护作用，以免金属材料进一步受到腐蚀。但在疲劳载荷作用下，将使氧化膜层局部开裂，新的表面再次暴露于腐蚀环境中，造成再次腐蚀并在材料表面逐步形成腐蚀坑。腐蚀使表面粗糙，腐蚀坑形成应力集中，加快了裂纹的萌生，使寿命缩短。这是对裂纹萌生阶段腐蚀疲劳的最一般的解释。 图3 桥梁的设计要考虑腐蚀疲劳 载荷状态的影响：材料疲劳极限的大致规律是——弯曲疲劳极限＞拉伸疲劳极限＞扭转疲劳极限。假定作用应力水平相同，拉压时高应力区体积等于试件整个试验段的体积，如图4所示： 图4 不同载荷状态下的高应力区 弯曲情形下的高应力区体积则要小得多。疲劳破坏主要取决于作用应力的大 复合材料聚合物的性能对比 聚合物复合材料的性能解释 1．1 拉伸性能 拉伸性能包括拉伸强度，弹性模量、泊松比、断裂伸长率等。对于如高压容器、高压管、叶片等产品，必须要测出聚合物复合材料的拉伸性能，才能进行产品设计及检验。 对于不同的聚合物复合材料，拉伸性能试验方法是不同。对于普通的，用国标GB/T1447进行测试；对于缠绕成型的，用国标GB/T1458进行测试；对于定向纤维增强的，用国标GB/T33541进行测试；对于拉挤成型的，用国标GB/T13096-1进行测试。使用最多的是 GB/T1447。 国标GB/T1447，对于不同成型工艺复合材料，又规定不同形状的拉伸试样，有带R型、直条型及哑铃型。使用拉伸试验机或万能试验按规定的加载速度对试样施加拉伸载荷直到试样破坏。用破坏载荷除以试样横截面面积则为拉伸强度。从测出的应力----应变曲线的直线段的斜率则为弹性模量，试样横向应变与纵向应变比为泊松比。破坏时的应变称为断裂伸长率。 单位面积上的力，称为应力，通常用MPa（兆帕）表示，1MPa相当于1N/mm2的应力。应变是单位长度的伸长量，是没有量刚（单位）的。 不同的现代复合材料其拉伸性能大不一样，以玻璃纤维增强的玻璃钢为例：1：1玻璃钢，拉伸强度为（200-250）MPa，弹性模量为（10-16）GPa；4：1玻璃钢，拉伸强度为（250-350）MPa，弹性模量为（15-22）GPa；单向纤维的玻璃钢（如缠绕），拉伸强度大于800MPa，弹性模量大于24GPa；SMC材料，拉伸强度为（40-80）MPa，弹性模量为（5-8）GPa；DMC 材料，拉伸强度为（20-60）MPa，弹性模量为（4-6）GPa。 1.2 弯曲性能 一般产品普遍存在弯曲载荷，弯曲性能是很重要的，同时，往往用弯曲性能来进行原材料，成型工艺参数，产品使用条件因素等的选择。 1 EN疲劳分析参数 其它参数参考SN分析参数定义。 1.2.1 Analysis Runs/Runs1: 1.2.2 Analysis Runs/Runs1/AnaDef/ENEngine: 1）ENMethod：Standard（默认即可）。 2）CombinationMethod:部件某一点的应力张量是随着时间变化的，为了能利用EN曲线计算疲劳损伤，需要把此张量转化为一标量。 AbsMaxPrincipal：绝对值最大主应力。 SignedVonMises：带符号的米赛斯应力。 SignedShear：带符号的剪应力。 CriticalPlane：关键截面。 TypeBCriticalPlaneShearStrain：B型关键面切应变。 3）MeanStressCorrection:平均应力修正。 SmithWatsonTopper：简称SWT，对于每个应力滞后环，软件会通过下面公式计算一中间值Pswt。 此公式考虑了平均应力的影响，计算的Pswt再与由平均应变为零的EN曲线得到的Pswt-N曲线结合，得到每一个应力滞回环的寿命值。 Morrow：Morrow法通过以下公式计算每一滞回环的寿命值，公式也是考虑了平均应力的影响。 Interpolate：ENMethod选择MultiMeanCurve或者MultiRRatioCurve时才起作用。 4）InterpolationLimit: 在ENMethod选择MultiMeanCurve或者MultiRRatioCurve时才起作用。 5）MultiAxialAssessment：应力的多轴状态，振动疲劳（Vibration）此选项不起作用，保持默认Standard 即可。 6）ElasticPlacsticCorrection:弹塑性修正。 Neuber，假设这两条曲线围成的面积相同,适用于单轴状态。 HoffmannSeeger：此方法在弹塑性修正时考虑到了应力的当前状态,适用于多轴状态。 7）PlacsticLimitLoadCorrection: SeegerHeuler: 针对有较多缺口或者大载荷情况下，弹塑性修正有更趋于保守。 8）CertaintyOfSurvial：存活率，默认50%，如需计算结果趋于保守，可以设置为90%或更高。 9）ScaleFactor：放大因子，保持默认1即可。 10）OutputMaxMin：是否输出时间历程中最大和最小应力，根据个人需要设置。 11）OutputMaterialNames：输出材料名称到计算结果中，根据个人需要设置。 第一章 1.解释下列名词 ①滞弹性：金属材料在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象称为滞弹性，也就是应变落后于应力的现象。 ②弹性比功：金属材料吸收弹性变形功的能力，一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。 ③循环韧性：金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力称为循环韧性。 ④包申格效应：金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，卸载后再同向加载，规定残余伸长应力增加；反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。 ⑤塑性：金属材料断裂前发生不可逆永久（塑性）变形的能力。 ⑥韧性：指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。 脆性：指金属材料受力时没有发生塑性变形而直接断裂的能力 ⑦加工硬化：金属材料在再结晶温度以下塑性变形时 ,由于晶粒发生滑移 , 出现位错的缠结,使晶粒拉长、破碎和纤维化,使金属的强度和硬度升高,塑性和韧性降低的现象。⑧解理断裂：解理断裂是在正应力作用产生的一种穿晶断裂，即断裂面沿一定的晶面（即解理面）分离。 2.解释下列力学性能指标的意义弹性模量）； 3.（2）ζ p（规定非比例伸长应力）、ζ e（弹性极限）、ζ s（屈服强度）、ζ 0.2（屈服强度）； （3）ζ b（抗拉强度）； （4）n（加工硬化指数）; （5）δ（断后伸长率）、ψ（断面收缩率） 4.常用的标准试样有 5 倍和10倍，其延伸率分别用δ 5 和δ 10 表示，说明为什么δ 5>δ 10。答：对于韧性金属材料，它的塑性变形量大于均匀塑性变形量，所以对于它的式样的比例，尺寸越短，它的断后伸长率越大。 5.某汽车弹簧，在未装满时已变形到最大位置，卸载后可完全恢复到原来状态；另一汽车弹簧，使用一段时间后，发现弹簧弓形越来越小，即产生了塑性变形，而且塑性变形量越来越大。试分析这两种故障的本质及改变措施。答：（1）未装满载时已变形到最大位置：弹簧弹性极限不够导致弹性比功小；（2）使用一段时间后，发现弹簧弓形越来越小，即产生了塑性变形，这是构件材料的纤维增强复合材料疲劳性能研究进展
材料的疲劳性能
第二章 金属材料力学性能基本知识及钢材的脆化
材料的疲劳性能
镁合金疲劳性能的研究现状_高洪涛
材料的疲劳性能汇总
材料的疲劳性能完整版
材料耐磨参数
浅析材料的疲劳现象及影响因子
玻璃钢复合材料的性能对比
Ncode EN疲劳耐久参数
材料力学性能-课后答案教学复习