《金属加工与实训》金属材料的疲劳强度（举一反三考点练）- 讲义

举一反三考点练 《金属加工与实训》金属材料的疲劳强度-讲义 （1）掌握疲劳现象与断裂机制 （2）掌握疲劳强度量化体系 （3）掌握R-N曲线工程应用 （4）掌握抗疲劳设计关键技术 知识点一 疲劳现象 载荷的形式不仅有静载荷(或静应力)、冲击载荷(或冲击应力)，还有循环载荷(或循环应力)。循环应力和循环应变是指应力和应变的大小、方向都随时间发生周期性变化的应力和应变。常见的循环应力是对称循环应力，其应力的最大值 和最小值 的绝对值相等，即 火车轮轴的应力变化规律如图1-9所示。 部分机械零件(如轴、齿轮、弹簧等)是在循环载荷(循环应力、循环应变)作用下工作的。零件在低于制造该零件的金属材料的屈服强度或规定塑性延伸强度的循环应力作用下，经过一定工作时间后会发生突然断裂，这种现象称为金属材料的疲劳。 疲劳断裂与静载荷作用下的断裂是不同的。疲劳断裂不产生明显的塑性变形，断裂是突然发生的，因此疲劳断裂具有很大的危险性，常造成严重事故。据统计，损坏的机械零件中有80%以上是因疲劳造成的。因此，研究疲劳现象对于合理使用金属材料、合理设计机械零件具有重要的指导意义。 研究表明：疲劳断裂首先在零件的应力集中区域产生，先形成微小的裂纹核心(微裂源)；随后在循环应力作用下，裂纹核心扩展和长大，形成裂纹扩展区。由于疲劳裂纹不断扩展，使零件的有效工作面积逐渐减小，造成零件实际承载区的应力不断增加，当应力超过金属材料的断裂强度时，则发生疲劳断裂，最后形成瞬断区，如图1-10所示。 【单项选择题】金属材料发生疲劳的关键条件是（ ） A. 循环应力大于材料的屈服强度 B. 循环应力低于材料的屈服强度或规定塑性延伸强度 C. 静应力作用时间过长 D. 冲击应力瞬间超过材料的抗拉强度 【答案】B 【解析】文中明确“零件在低于制造该零件的金属材料的屈服强度或规定塑性延伸强度的循环应力作用下，经过一定工作时间后会发生突然断裂，这种现象称为金属材料的疲劳”，A、C、D均不符合疲劳发生的条件，故答案为B。 1. （单项选择题）下列哪种零件最容易发生疲劳断裂？（ ） A. 机床床身（承受静载荷） B. 汽车传动轴（承受循环载荷） C. 锻锤锤杆（承受冲击载荷） D. 暖气片（承受重力静载荷） 【答案】B 【解析】文中提到“部分机械零件(如轴、齿轮、弹簧等)是在循环载荷作用下工作的”，这类零件易发生疲劳；A、D承受静载荷，C承受冲击载荷，均不易发生疲劳，故答案为B。 2. （单项选择题）疲劳断裂与静载荷断裂的主要区别是（ ） A. 疲劳断裂有明显塑性变形，静载荷断裂无塑性变形 B. 疲劳断裂无明显塑性变形，断裂突然；静载荷断裂常伴随塑性变形 C. 疲劳断裂仅发生在高温环境，静载荷断裂可在常温发生 D. 疲劳断裂需要冲击载荷，静载荷断裂需要循环载荷 【答案】B 【解析】文中指出“疲劳断裂不产生明显的塑性变形，断裂是突然发生的”，而静载荷下塑性材料断裂前会有明显塑性变形，A、C、D表述均错误，故答案为B。 3. （填空题）金属材料在低于其屈服强度或规定塑性延伸强度的________作用下，经过一定时间发生突然断裂的现象，称为疲劳。 【答案】循环应力 【解析】文中提到“零件在低于制造该零件的金属材料的屈服强度或规定塑性延伸强度的循环应力作用下……这种现象称为金属材料的疲劳”，疲劳的关键载荷类型是“循环应力”，故填“循环应力”。 1. （单项选择题）下列关于疲劳现象的说法，错误的是（ ） A. 疲劳断裂具有突然性，危险性大 B. 疲劳发生需循环应力和一定工作时间 C. 所有承受循环载荷的零件都会立即发生疲劳断裂 D. 应力集中会加速疲劳断裂的发生 【答案】C 【解析】文中明确疲劳是“经过一定工作时间后”发生的，并非“立即发生”，C表述错误；A、B、D均符合疲劳现象的特点，故答案为C。 2. （单项选择题）研究疲劳现象的主要目的是（ ） A. 提高金属材料的硬度 B. 指导合理使用金属材料和设计机械零件 C. 降低金属材料的生产成本 D. 增加金属材料的弹性变形能力 【答案】B 【解析】文中指出“研究疲劳现象对于合理使用金属材料、合理设计机械零件具有重要的指导意义”，A、C、D均不是研究疲劳现象的主要目的，故答案为B。 3. （填空题）应力和应变的大小、方向都随时间发生周期性变化的应力和应变，分别称为________和循环应变。 【答案】循环应力 【解析】文中明确“循环应力和循环应变是指应力和应变的大小、方向都随时间发生周期性变化的应力和应变”，与“循环应变”对应的是“循环应力”，故填“循环应力”。 · 应力循环作用，强度虽低也断；无先兆突然发生，八成零件因此坏。始于应力集中，断口两区分明。 知识点二 疲劳强度 金属材料在循环应力作用下能经受无限次循环而不断裂的最大应力值称为金属材料的疲劳强度，即循环次数N无穷大时所对应的最大应力值称为疲劳强度。在工程实践中，一般是求疲劳极限，即对应于指定的循环基数的中值疲劳强度。对于钢铁材料，循环基数 对于非铁金属，循环基数 对于对称循环应力，疲劳强度用 R-₁表示。 许多试验结果表明：金属材料的疲劳强度随着抗拉强度的提高而增加。对于结构钢，当 时，其疲劳强度 约为其抗拉强度的二分之一。 疲劳断裂是在循环应力作用下，经一定循环次数后发生的。在循环载荷作用下，金属材料承受的循环应力 R与断裂时相应的循环次数N之间的关系可以用曲线来描述，称为R-N曲线，如图1-11所示。R-N曲线可以在一定程度上反映金属材料的实际服役过程及使用寿命。 由于大部分机械零件的损坏是由疲劳造成的，所以消除或减少疲劳失效对于提高零件使用寿命有重要意义。影响疲劳强度的因素很多，除设计时在结构上注意避免零件应力集中外，还可通过改善零件表面粗糙度和表面残余应力状态，减少缺口效应等措施提高零件的疲劳强度。例如，采用高频淬火、表面形变强化(如喷丸、滚压、内孔挤压等)、化学热处理(如渗碳、渗氮、碳氮共渗等)及各种表面复合强化工艺等都可改变零件表面的残余应力状态，从而提高零件的疲劳强度。 【单项选择题】R-N曲线的主要作用是（ ） A. 反映材料弹性变形与应力的关系 B. 反映材料塑性变形与应力的关系 C. 反映材料循环应力与使用寿命的关系 D. 反映材料硬度与温度的关系 【答案】C 【解析】文中指出“R-N曲线可以在一定程度上反映金属材料的实际服役过程及使用寿命”，即反映循环应力与使用寿命（循环次数）的关系，A、B、D均不符合其作用，故答案为C。 1. （单项选择题）工程实践中“疲劳极限”的定义是（ ） A. 无限次循环下的最大应力 B. 对应指定循环基数的中值疲劳强度 C. 10³次循环下的最大应力 D. 冲击载荷下的最大应力 【答案】B 【解析】文中提到“在工程实践中，一般是求疲劳极限，即对应于指定的循环基数的中值疲劳强度”，A是疲劳强度定义，C、D无对应定义，故答案为B。 2. （单项选择题）下列哪种表面强化工艺不能改变零件表面残余应力状态以提高疲劳强度？（ ） A. 高频淬火 B. 渗碳处理 C. 表面磨削（无强化作用） D. 内孔挤压 【答案】C 【解析】文中提到“高频淬火、表面形变强化（如喷丸、滚压、内孔挤压等）、化学热处理（如渗碳……）可改变表面残余应力状态”，C“表面磨削”仅加工表面，无强化作用，不能改变残余应力，故答案为C。 3. （填空题）工程实践中，对应于指定循环基数的中值疲劳强度称为________，钢铁材料的循环基数通常为10⁷。 【答案】疲劳极限 【解析】文中明确“在工程实践中，一般是求疲劳极限，即对应于指定的循环基数的中值疲劳强度”，故填“疲劳极限”。 1. （单项选择题）非铁金属疲劳极限对应的循环基数N为（ ） A. 10⁵ B. 10⁶ C. 10⁷ D. 10⁸ 【答案】D 【解析】文中明确“对于非铁金属，循环基数 N=10⁸”，A、B、C不符合非铁金属的循环基数，故答案为D。 2. （单项选择题）金属材料疲劳强度与抗拉强度的关系是（ ） A. 疲劳强度随抗拉强度提高而增加 B. 疲劳强度随抗拉强度提高而降低 C. 疲劳强度与抗拉强度无关 D. 疲劳强度始终是抗拉强度的1/3 【答案】A 【解析】文中指出“许多试验结果表明：金属材料的疲劳强度随着抗拉强度的提高而增加”，B、C、D表述错误，故答案为A。 3. （填空题）金属材料承受的循环应力R与断裂时循环次数N之间的关系曲线，称为________曲线，可反映材料的服役过程及使用寿命。 【答案】R-N 【解析】文中提到“在循环载荷作用下，金属材料承受的循环应力 R与断裂时相应的循环次数N之间的关系可以用曲线来描述，称为R-N曲线”，故填“R-N”。 · 无限循环不断裂，最大应力是极限（R₋₁）。钢的疲劳强度约一半抗拉强度。 · 抗疲劳，抓表面，降粗糙、改形状、强强化。 知识点三 运-20机翼的打造处理技术 国产大型运输机运-20,从研发到列装，创造了世界上同类飞机研制交付的新纪录。运-20的超临界机翼壁板对强度和韧性的要求非常高，它是采用毫米弹丸打造处理的。别小看这些直径不到几毫米的弹丸（图1-12），通过特殊装置，这些弹丸会形成高速运动的弹丸流，冲击材料表面,从而形成外形复杂、韧性强、疲劳寿命长的机翼部件。这就是让运一20的“翅膀”更加坚韧的技术一一整体喷丸成形技术。飞机机翼是一种典型的薄壁结构，经过喷丸加工之后，其疲劳寿命会增加数十倍以上，同时它的疲劳强度及耐蚀性也会大大增加。 【单项选择题】下列关于整体喷丸成形技术的说法，错误的是（ ） A. 依赖高速弹丸流冲击材料表面 B. 适用于飞机薄壁结构部件的加工 C. 会降低材料的疲劳强度 D. 能提升部件的韧性和耐蚀性 【答案】C 【解析】文中明确喷丸加工后“疲劳强度会大大增加”，C“降低疲劳强度”与原文矛盾；A、B、D均符合该技术的特点，故答案为C。 1. （单项选择题）运-20从研发到列装，在世界同类飞机研制交付中创造了（ ） A. 交付数量最多的纪录 B. 研制周期最长的纪录 C. 研制交付的新纪录 D. 尺寸最大的纪录 【答案】C 【解析】文中明确“运-20,从研发到列装，创造了世界上同类飞机研制交付的新纪录”，A、B、D均不符合该描述，故答案为C。 2. （单项选择题）运-20机翼采用整体喷丸成形技术的核心优势不包括（ ） A. 提升结构韧性 B. 延长疲劳寿命 C. 降低材料强度 D. 提高耐蚀性 【答案】C 【解析】文中提到该技术能提升韧性、延长疲劳寿命、提高耐蚀性，C“降低材料强度”与技术效果相反，且不属于优势，故答案为C。 3. （填空题）国产大型运输机运-20的超临界机翼壁板，是采用________打造处理的，该技术能显著提升机翼性能。 【答案】毫米弹丸（或整体喷丸成形技术） 【解析】文中明确“运-20的超临界机翼壁板……是采用毫米弹丸打造处理的”，且该处理方式属于“整体喷丸成形技术”，故填“毫米弹丸（或整体喷丸成形技术）”。 1. （单项选择题）整体喷丸成形技术除提高疲劳寿命外，还能显著提升机翼的（ ） A. 重量和成本 B. 疲劳强度和耐蚀性 C. 弹性变形量 D. 加工难度 【答案】B 【解析】文中指出喷丸加工后“疲劳强度及耐蚀性也会大大增加”，A、C、D均不是该技术的提升效果（重量、成本、加工难度无正向提升意义），故答案为B。 2. （单项选择题）整体喷丸成形技术中，弹丸冲击材料表面的主要目的是（ ） A. 去除材料表面的氧化层 B. 形成外形复杂、韧性强、疲劳寿命长的部件 C. 减小材料的厚度 D. 增加材料的密度 【答案】B 【解析】文中提到弹丸流冲击材料表面“从而形成外形复杂、韧性强、疲劳寿命长的机翼部件”，A、C、D均未提及，故答案为B。 3. （填空题）整体喷丸成形技术中，弹丸通过特殊装置形成________，冲击材料表面以加工机翼部件。 【答案】高速运动的弹丸流 【解析】文中提到“通过特殊装置，这些弹丸会形成高速运动的弹丸流，冲击材料表面”，直接对应填空内容，故填“高速运动的弹丸流”。 · 喷丸技术=表面强化。利用塑性变形在表面产生压应力，这是抵抗疲劳破坏（80%零件失效原因）的最有效手段之一，让运-20的“翅膀”既坚固又耐用。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！2 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $$