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文档简介

研究报告-1-实验报告实验报告标准模板一、实验目的1.明确实验的研究目标(1)本次实验的主要研究目标是探究某种新型材料在特定条件下的力学性能。通过实验,我们期望得到该材料在不同应力状态下的应力-应变关系,为材料的设计和应用提供理论依据。此外,实验还将分析材料在加载过程中的微观结构变化,揭示其力学性能的内在机制。(2)为了实现上述目标,实验将采用拉伸试验、压缩试验和弯曲试验等方法,对材料进行多角度的力学性能测试。通过对比不同温度、加载速率等因素对材料性能的影响,旨在揭示材料性能随这些因素的变化规律。实验结果将为材料工程师提供有价值的信息,有助于优化材料性能,提高其在实际应用中的可靠性。(3)此外,实验过程中还将关注材料在力学性能测试过程中的微观结构变化,通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜等手段对材料进行表征。通过对比不同实验条件下材料的微观结构,分析其力学性能的内在原因,为材料改性提供理论指导。实验的研究成果有望为新型材料的研究与开发提供有益的参考,推动相关领域的科技进步。2.阐述实验的具体目标(1)实验的具体目标之一是精确测量并记录在特定温度和加载速率下,样品的应力-应变曲线,以评估其弹性极限、屈服强度和断裂强度等关键力学参数。这些数据的获取将有助于理解材料在工程应用中的潜在性能表现,并为后续的材料选择和设计提供依据。(2)第二个具体目标是分析材料在加载过程中的微观结构变化,包括晶粒尺寸、位错密度和相变等,以揭示其力学性能的微观机制。通过对比不同处理条件下的微观结构,我们可以探究材料强化机制,为材料改性提供科学依据。(3)最后,实验还将评估材料在循环加载条件下的疲劳寿命,包括疲劳裂纹的形成、扩展及最终的断裂模式。这一目标旨在为材料在循环载荷环境下的可靠性评估提供数据支持,同时为材料在极端工况下的应用提供参考。通过对实验数据的深入分析,我们可以优化材料性能,提高其在实际工程中的使用寿命。3.描述实验的主要预期结果(1)预期实验的主要结果之一是获得一系列精确的应力-应变数据,这些数据将清晰地显示出材料在各个测试条件下的弹性模量、屈服强度、抗拉强度等力学性能指标。这些数据将为材料选择、设计和优化提供直接的依据,有助于预测材料在实际应用中的行为。(2)第二个预期结果是通过对材料的微观结构分析,能够观察到材料在受力过程中的晶粒细化、位错运动以及可能的相变等微观变化。这些微观结构的变化将有助于解释材料的力学性能,并可能为材料改性提供新的思路,例如通过控制加工工艺来改变材料的微观结构,从而提升其性能。(3)最后,实验的预期结果还包括对材料在循环加载条件下的疲劳寿命进行评估。通过观察疲劳裂纹的形成、扩展和断裂模式,我们预计能够确定材料在不同循环加载条件下的耐久性,为材料在循环载荷环境中的应用提供可靠的数据支持。此外,这些结果还将有助于开发更有效的材料疲劳评估方法。二、实验原理1.理论背景介绍(1)在材料科学领域,力学性能是评价材料优劣的重要指标。材料的力学性能与其微观结构密切相关,包括晶粒尺寸、位错密度、相变等。通过对材料的力学性能进行研究,可以揭示材料在不同应力状态下的行为,为材料的设计和工程应用提供理论支持。本实验所研究的材料,其力学性能的理论背景涉及到弹性理论、塑性理论和断裂力学等多个学科。(2)弹性理论是研究材料在受力时的变形和应力分布的基本理论。根据胡克定律,当应力在材料的弹性极限内时,应力和应变之间存在线性关系。本研究中,通过对材料的应力-应变曲线进行分析,可以确定其弹性模量等弹性性能参数。此外,弹性理论还能帮助解释材料在受力过程中的应力集中现象。(3)塑性理论则关注材料在超过弹性极限后的变形行为。在塑性变形过程中,材料会发生永久性变形,直至最终断裂。本实验将探究材料在塑性变形阶段的力学性能,包括屈服强度、抗拉强度等。通过对塑性变形机理的研究,可以揭示材料在受力过程中的微观结构变化,为材料改性提供理论依据。同时,断裂力学的研究有助于理解材料在断裂前的应力分布和裂纹扩展行为,对于提高材料的可靠性和安全性具有重要意义。2.实验理论基础(1)实验理论基础首先建立在经典力学之上,特别是牛顿第二定律和胡克定律。牛顿第二定律描述了力、质量和加速度之间的关系,是力学分析的基础。在实验中,通过测量材料的受力情况和加速度变化,可以验证牛顿定律在材料力学中的适用性。胡克定律则阐述了弹性材料在应力作用下的应变与应力之间的线性关系,为实验中应力-应变曲线的绘制提供了理论依据。(2)弹性力学理论是实验的重要理论基础之一,它描述了材料在受力时的变形和应力分布。弹性力学的基本方程,如拉普拉斯方程和泊松方程,被用于推导应力-应变关系,并解释材料在不同加载条件下的变形行为。在实验中,通过解析或数值求解这些方程,可以预测材料的应力分布,为实验设计提供指导。(3)塑性力学理论则关注材料在超过弹性极限后的行为。根据塑性力学理论,材料在屈服后会出现塑性变形,这种变形是不可逆的。实验中,通过研究材料的屈服行为和后续的塑性流动,可以验证塑性力学理论,并确定材料的屈服强度、流动应力等关键性能参数。此外,塑性力学理论还涉及到材料的硬化行为和断裂机制,这些内容对于理解材料在复杂加载条件下的力学行为至关重要。3.相关公式及定理(1)在实验中,胡克定律是描述材料弹性变形的关键公式,其表达式为σ=Eε,其中σ表示应力,E表示材料的弹性模量,ε表示应变。这一公式表明,在弹性范围内,应力与应变之间成正比关系。胡克定律是弹性力学的基础,广泛应用于各种材料的应力分析。(2)另一个重要的公式是泊松比(ν)的定义,它描述了材料在轴向拉伸或压缩时横向应变与轴向应变之间的关系。泊松比的表达式为ν=-ε_t/ε_l,其中ε_t是横向应变,ε_l是轴向应变。泊松比是材料的一个基本属性,它反映了材料在变形过程中的各向异性。(3)在塑性力学中,屈服准则是一个重要的概念,用于判断材料是否进入塑性状态。其中,最著名的屈服准则之一是vonMises屈服准则,其表达式为σ1^2+σ2^2+σ3^2+2σ1σ2+2σ2σ3+2σ3σ1=3σ_y^2,其中σ1、σ2、σ3分别为三个主应力,σ_y为屈服应力。vonMises屈服准则将材料在三维应力状态下的屈服条件简化为一个等价的面,便于在应力空间中进行分析。三、实验仪器与材料1.实验仪器列表(1)实验中使用的核心仪器为电子万能试验机,该设备能够对材料进行拉伸、压缩、弯曲等多种力学性能测试。试验机具备高精度测量和控制系统,能够实现自动加荷、自动记录数据等功能。其主要参数包括最大载荷能力、测试速度范围、分辨率等,确保实验结果的准确性和可靠性。(2)为了对材料进行微观结构分析,实验中配备了扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)。SEM能够提供材料的表面形貌和微结构信息,而TEM则能够观察到材料的内部结构,如晶粒尺寸、位错等。这两种显微镜的配备,使得实验能够从宏观到微观全面分析材料的性能。(3)实验过程中还需要使用一系列辅助设备,如计算机控制系统、数据采集卡、电子天平、加热炉、冷却装置等。计算机控制系统用于控制和监控整个实验过程,数据采集卡负责将试验机采集到的数据传输到计算机进行分析。电子天平用于精确测量材料的质量,加热炉和冷却装置则用于控制实验过程中的温度变化,以确保实验在特定的温度条件下进行。2.实验材料列表(1)实验所选用的材料为一种高强度的铝合金,其化学成分和热处理工艺经过精心设计,以确保在实验过程中能够展现出良好的力学性能。这种铝合金具有良好的耐腐蚀性和加工性能,适用于各种结构部件的制造。实验中使用的铝合金板材厚度为3mm,尺寸为100mm×50mm,确保了实验数据的可靠性和一致性。(2)为了对比不同处理条件对材料性能的影响,实验中还包括了未经热处理的原始铝合金板材,以及经过不同温度和时间的热处理后的样品。这些热处理样品将分别用于拉伸试验、压缩试验和弯曲试验,以评估热处理对材料力学性能的影响。(3)除了铝合金板材,实验中还使用了标准尺寸的拉伸试样、压缩试样和弯曲试样。这些试样按照国际标准制备,确保了试验数据的可比性和实验结果的准确性。同时,为了减少实验误差,每个试样均制备了多个副本,以便在实验过程中进行重复测试。此外,实验中还使用了各种测量工具,如游标卡尺、千分尺等,用于测量试样的尺寸和形状。3.仪器与材料的使用方法(1)在使用电子万能试验机进行力学性能测试之前,首先需要对试验机进行校准,确保其测量精度。校准过程中,需使用标准拉伸试样进行试验,将实际测量值与标准值进行对比,以调整试验机的加载和位移传感器。实验开始前,将待测试样的尺寸和形状检查完毕,并按照规定的夹持方式固定在试验机的夹具中。(2)使用扫描电子显微镜(SEM)进行微观结构分析时,首先需将样品表面进行预处理,如喷金、切割、抛光等,以提高样品的导电性和表面平整度。将预处理后的样品放置在样品台上,调整显微镜的聚焦和亮度,进行初步的表面形貌观察。通过调整物镜和样品台的位置,可以观察到样品的微观结构,如晶粒尺寸、位错等。(3)在进行热处理实验时,将待处理的样品放入加热炉中,根据实验要求设定加热温度和时间。加热过程中,需严格控制炉内温度,确保样品均匀受热。加热完成后,将样品从加热炉中取出,放入冷却装置中进行冷却,以避免热应力对材料性能的影响。在冷却过程中,需定期检查样品的温度变化,确保实验结果的准确性。四、实验步骤1.实验准备步骤(1)实验准备的第一步是准备实验所需的材料和仪器。首先,对实验材料进行切割和加工,确保所有试样具有相同的尺寸和形状,以便进行后续的力学性能测试。同时,检查所有实验仪器,包括万能试验机、电子天平、加热炉等,确保它们处于良好的工作状态,并进行必要的校准。(2)接下来,对实验环境进行准备。确保实验室内温度和湿度稳定,避免实验过程中环境因素对材料性能的影响。此外,清理实验台面,确保实验过程中不会受到外界杂物的干扰。对于需要高温处理的实验,还需提前检查加热炉的预热状态,确保实验条件满足要求。(3)在实验开始前,对实验数据进行规划和记录。制定详细的实验方案,包括实验步骤、数据采集方法、数据处理和分析方法等。同时,准备实验记录表,用于记录实验过程中的各项数据,如试样的尺寸、实验条件、测试结果等。此外,对实验人员进行培训,确保他们熟悉实验流程和操作规范,以减少人为误差。2.实验操作步骤(1)实验操作的第一步是设置万能试验机。首先,将试验机预热至工作温度,确保设备稳定运行。然后,根据实验要求设置试验机的加载速率、位移范围和应力范围。将待测试样固定在试验机的夹具中,确保试样与夹具紧密贴合,避免试验过程中试样滑动或脱落。(2)进行力学性能测试。启动试验机,以设定的加载速率对试样施加力。在加载过程中,实时监测试样的位移和应力变化,并记录关键数据。当试样达到预定的应力或位移时,停止加载,观察并记录试样的断裂情况。对于需要高温处理的试样,在加载过程中同时进行加热,确保实验条件符合要求。(3)实验结束后,对试验数据进行整理和分析。将采集到的数据输入计算机,利用相关软件进行数据处理和曲线拟合。根据胡克定律、屈服准则等理论,分析试样的弹性模量、屈服强度、抗拉强度等力学性能参数。同时,对试样的断裂模式、微观结构变化等进行分析,以揭示材料在受力过程中的行为和机理。最后,撰写实验报告,总结实验结果和结论。3.实验结束步骤(1)实验结束后,首先应立即停止万能试验机的运行,确保试样不再承受任何外力。接下来,小心地移除试验机上的试样,避免因试样温度较高而造成烫伤。对于断裂的试样,需仔细检查其断裂面,记录断裂模式,如沿晶断裂、沿界面断裂或韧窝断裂等。(2)对试验过程中采集到的数据进行整理和备份。将实验过程中记录的数据和图像进行分类整理,确保数据的安全性和可追溯性。使用专业的数据分析软件对数据进行处理,包括曲线拟合、误差分析等,以获得实验结果的具体数值和趋势。同时,将实验数据和结论汇总,为撰写实验报告做准备。(3)清理实验现场,包括试验机、夹具、样品台等设备。检查设备是否完好,如有损坏或磨损,及时进行维修或更换。对实验材料进行回收处理,确保实验室的整洁和环保。最后,撰写实验报告,总结实验目的、原理、方法、结果和结论,为后续研究提供参考。在报告撰写过程中,注意遵循实验报告的格式要求,确保内容的完整性和准确性。五、实验数据记录与分析1.实验数据记录方式(1)实验数据记录采用电子表格形式,使用专业的数据记录软件,如MicrosoftExcel或SPSS等。首先,创建一个包含所有必要列的电子表格,包括试样编号、实验条件、应力、应变、位移、时间等。在实验过程中,每记录一个数据点,就实时输入电子表格中,确保数据的实时性和准确性。(2)为了方便后续的数据分析和结果展示,记录的数据应包括原始数据和计算结果。例如,对于应力-应变曲线,记录原始的应力值和应变值,并计算相应的弹性模量、屈服强度等参数。此外,记录实验过程中观察到的任何异常现象,如裂纹产生、试样变形等,以便在分析时考虑这些因素。(3)实验数据记录应遵循一定的格式和规范,确保数据的可读性和一致性。例如,使用统一的单位系统,如国际单位制(SI),并在表格中明确标注。对于重复实验,记录每个试样的具体信息,包括材料批次、加工工艺等,以便在分析时区分不同的试样。同时,对数据进行备份,以防数据丢失或损坏。2.数据处理方法(1)数据处理的第一步是对实验数据进行校验,确保数据的准确性和完整性。这包括检查数据是否存在异常值,如突变、异常波动等,并分析这些异常值可能的原因。对于可疑数据,可以重新进行实验或进行进一步的分析,以确定其是否有效。(2)对于应力-应变曲线等连续数据,采用曲线拟合方法进行处理。使用最小二乘法等统计方法对数据进行线性或非线性拟合,以获得最佳拟合曲线。通过拟合曲线,可以更直观地分析材料的力学性能,如弹性模量、屈服强度、极限强度等。(3)在分析材料微观结构变化时,采用图像处理和分析技术。对SEM和TEM等显微镜拍摄的图像进行预处理,如去噪、增强等,以提高图像质量。随后,使用图像分析软件对晶粒尺寸、位错密度等进行定量分析。通过对比不同条件下的微观结构变化,可以揭示材料性能与微观结构之间的关系。此外,利用统计软件对实验数据进行统计分析,如方差分析、相关性分析等,以验证实验结果的可靠性和显著性。3.数据分析结果(1)数据分析结果显示,在实验设定的加载速率下,材料的弹性模量稳定在某一数值范围内,表明材料具有良好的弹性性能。应力-应变曲线呈现出明显的屈服平台,屈服强度和极限强度均高于预期,这可能与材料的热处理工艺有关。通过对比不同处理条件下的实验数据,发现热处理可以显著提高材料的屈服强度和极限强度。(2)微观结构分析结果显示,经过热处理的材料晶粒尺寸明显减小,位错密度增加。这表明热处理过程促进了材料的晶粒细化,从而提高了材料的强度和硬度。此外,TEM图像显示,热处理后的材料中出现了更多的亚晶界,这些亚晶界有助于阻碍位错的运动,从而增强材料的抗变形能力。(3)疲劳寿命测试结果表明,材料在循环加载条件下的疲劳寿命有所提高,这与材料的热处理和微观结构变化密切相关。实验数据表明,热处理后的材料在经历更多次的循环加载后仍保持良好的完整性,这为材料在实际工程应用中的可靠性提供了有力保障。通过对实验数据的综合分析,可以得出材料在特定条件下的力学性能和微观结构变化规律,为后续的材料设计和应用提供重要参考。六、实验结果讨论1.实验结果与预期对比(1)实验结果在材料的弹性模量方面与预期相符,显示出材料具有良好的弹性性能。然而,屈服强度和极限强度的实验结果略高于预期,这可能是由于材料的热处理工艺比预期更为有效,或者实验过程中采用了更为严格的加载速率控制。(2)在微观结构分析方面,实验结果显示热处理后的材料晶粒尺寸减小,位错密度增加,这与预期一致。这种微观结构的改善有助于提高材料的强度和硬度,与实验结果中屈服强度和极限强度的提高相吻合。(3)疲劳寿命测试的结果也显示出材料在实际应用中的可靠性有所提升,这与预期相符。材料在循环加载条件下的疲劳寿命得到延长,表明材料在经历重复应力后仍能保持其结构完整性,这对于提高材料在工程应用中的寿命至关重要。实验结果的整体表现与预期目标基本一致,显示出实验设计的有效性和材料的潜在应用价值。2.结果分析(1)实验结果表明,通过适当的热处理工艺,可以显著提高材料的屈服强度和极限强度。这一结果与材料科学中关于热处理对材料微观结构影响的原理相符。热处理过程中,材料内部的晶粒细化,亚晶界增多,这些微观结构的改变有助于阻碍位错的运动,从而提高材料的强度。(2)在微观结构分析中,观察到材料经过热处理后晶粒尺寸减小,位错密度增加。这一现象可以解释为,热处理使得材料内部的位错密度上升,位错之间的交互作用增强,从而提高了材料的屈服强度。同时,晶粒细化也有助于提高材料的硬度和耐磨性。(3)疲劳寿命测试的结果表明,经过热处理的材料在循环加载条件下表现出更长的疲劳寿命。这表明热处理不仅提高了材料的静态强度,还增强了其抵抗疲劳裂纹扩展的能力。实验结果的综合分析表明,热处理是一种有效的材料强化手段,可以提高材料的综合性能,为材料在工程中的应用提供了有力的支持。3.可能误差分析(1)实验过程中可能存在的误差之一是测量误差。由于万能试验机的精度限制,应力、应变等力学性能参数的测量可能存在一定的误差。此外,试样尺寸的微小差异也可能导致应力分布的不均匀,从而影响实验结果的准确性。(2)另一个可能的误差来源是实验环境的影响。实验室内的温度和湿度波动可能会影响材料的性能,尤其是在高温或高湿条件下。此外,实验过程中试样与夹具之间的摩擦也可能导致应力分布的不均匀,进而影响实验结果的可靠性。(3)数据处理过程中也可能存在误差。曲线拟合时,选择合适的拟合模型和参数对结果有重要影响。如果拟合模型选择不当或参数设置不合理,可能会导致数据分析结果的偏差。此外,在数据采集过程中,由于操作人员的反应时间或记录的失误,也可能引入人为误差。因此,在实验设计和数据分析时,应采取适当的措施来减少这些误差的影响。七、实验结论1.实验主要发现(1)实验的主要发现之一是材料经过适当的热处理后,其屈服强度和极限强度显著提高。这一结果证实了热处理在改善材料力学性能方面的有效性,为材料在工程应用中的性能提升提供了理论依据。(2)在微观结构方面,实验发现热处理使得材料的晶粒尺寸减小,位错密度增加。这一微观结构的改变有助于提高材料的强度和硬度,同时也有利于材料的疲劳寿命的提升。(3)疲劳寿命测试结果表明,热处理后的材料在循环加载条件下表现出更长的疲劳寿命,这表明热处理不仅提高了材料的静态强度,还增强了其抵抗疲劳裂纹扩展的能力,对于提高材料在工程环境中的可靠性具有重要意义。2.实验验证的理论或假设(1)实验验证了热处理对材料力学性能的影响,支持了材料科学中的基本理论,即通过热处理可以改变材料的微观结构,从而影响其力学性能。实验结果显示,热处理后的材料屈服强度和极限强度的提升,与理论预测相符,证实了热处理作为一种有效的材料强化手段。(2)在微观结构方面,实验结果验证了位错理论和晶粒细化对材料强度的影响。热处理后材料晶粒尺寸的减小和位错密度的增加,与理论预测的位错运动受阻、晶界增多从而提高材料强度的现象一致。(3)疲劳寿命测试的结果验证了疲劳裂纹扩展理论。热处理后的材料在循环加载下表现出更长的疲劳寿命,这与理论预测的疲劳裂纹扩展速率降低、材料抗疲劳性能提高相吻合,进一步证实了实验验证的理论假设。3.实验结论的适用范围(1)实验结论的适用范围首先局限于与实验材料具有相似化学成分和热处理工艺的其他铝合金。由于实验中采用的材料在热处理和加工工艺上具有一定的代表性,因此,实验结果可以推广到类似材料的力学性能评估和设计。(2)其次,实验结论在工程应用中具有一定的普适性。实验结果表明,通过热处理可以显著提高铝合金的力学性能,这对于其他需要高强度和耐久性的金属或合金也具有一定的参考价值。在实际工程中,可以根据具体的应用需求,选择合适的材料和处理工艺,以优化材料的性能。(3)最后,实验结论在科学研究领域具有一定的贡献。通过对材料性能的深入研究,实验结果可以为材料科学领域的研究提供新的实验数据和理论依据,有助于推动材料科学和相关工程领域的发展。同时,实验结论也为后续的研究提供了基础,为进一步探索材料性能与微观结构之间的关系提供了参考。八、实验反思与改进1.实验过程中的问题与不足(1)在实验过程中,我们发现万能试验机的控制系统在某些情况下存在响应延迟,这可能导致应力-应变曲线的记录出现轻微的偏差。尤其是在快速加载和卸载过程中,这种延迟可能会影响数据的准确性。(2)实验中使用的加热炉在高温操作时存在温度波动,这可能会对热处理过程产生一定的影响。尽管我们采取了预热和监控措施,但温度的不稳定性仍可能对材料的微观结构和性能造成不可预测的影响。(3)数据处理阶段,虽然我们使用了专业的软件进行曲线拟合和分析,但在某些情况下,拟合结果对初始参数的敏感性较高,这可能导致不同的初始参数设置得到不同的结果。此外,由于实验过程中存在一定的随机性,重复实验的结果可能会有所差异,这在一定程度上影响了实验结论的可靠性。2.改进措施(1)针对万能试验机控制系统响应延迟的问题,建议升级或优化控制系统软件,以减少加载和卸载过程中的响应时间。同时,可以考虑采用更先进的伺服电机驱动系统,提高机械部分的响应速度和稳定性。(2)对于加热炉温度波动的问题,可以通过增加温度控制系统中的传感器数量,提高温度监测的精度和覆盖范围。此外,采用更先进的温度控制算法,如PID控制,以减少温度波动并确保热处理过程的稳定性。(3)在数据处理阶段,为了提高拟合结果的可靠性,可以实施以下改进措施:对初始参数进行更详细的优化和敏感性分析,以确保参数设置对结果的影响降到最低。同时,通过增加重复实验次数,收集更多的数据,以提高实验结果的统计可靠性和重复性。此外,可以考虑使用更先进的统计和机器学习算法,以从数据中提取更准确的信息。3.未来研究方向(1)未来研究方向之一是深入探究材料在不同加载速率和温度条件下的力学性能变化。这包括研究加载速率对材料屈服强度、极限强度和韧性等力学性能的影响,以及温度对材料微观结构和力学性能的交互作用。通过这些研究,可以更全面地了解材料在不同工况下的行为,为材料在极端环境中的应用提供理论支持。(2)另一个研究方向是结合先进的材料表征技术,如同步辐射X射线衍射、原子力显微镜等,对材料的微观结构进行更深入的分析。这有助于揭示材料在受力过程中的微观机制,如位错运动、相变等,从而为材料改性提供科学依据。(3)最后,未来研究可以关注材料在复杂载荷环境下的性能,如疲劳、蠕变等。通过模拟实际工程应用中的复杂载荷条件,可以评估材料的长期性能和可靠性,为材料在长期运行中的应用提供数据支持。此外,研究材料在多场耦合作用下的性能,如温度、湿度、化学腐蚀等,对于提高材料的综合性能具有重要意义。九、参考文献1.引用的文献列表(1)[1]张三,李四.铝合金力学性能与热处理工艺的关系研究[J].材料科学与工程学报,2020,39(3):456-462.该文献详细研究了不同热处理工艺对铝合金力学性能的影响,为本研究提供了重要的理论依据和实验参考。(2)[2]王五,赵六.材料疲劳行为的研究进展[J].材料研究与应用,2019,8(4):12

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