金屬疲勞試驗指導書

1、金屬疲勞、應力腐蝕試驗及宏觀斷口分析在足夠大的交變應力作用下，由于金屬構件外形突變或表面刻痕或內部缺陷等部位，都可能因較大的應力集中引發(fā)微觀裂紋。分散的微觀裂紋經過集結溝通將形成宏觀裂紋。已形成的宏觀裂紋逐漸緩慢地擴展，構件橫截面逐步削弱，當達到一定限度時，構件會突然斷裂。金屬因交變應力引起的上述失效現(xiàn)象，稱為金屬的疲勞。靜載下塑性性能很好的材料，當承受交變應力時，往往在應力低于屈服極限沒有明顯塑性變形的情況下，突然斷裂。疲勞斷口（見圖1-1）明顯地分為三個區(qū)域：裂紋源區(qū)、較為光滑的裂紋擴展區(qū)和較為粗糙的斷裂區(qū)。裂紋形成后，交變應力使裂紋的兩側時而張開時而閉合，相互擠壓反復研磨，光滑區(qū)就是這樣

2、形成的。載荷的間斷和大小的變化，在光滑區(qū)留下多條裂紋前沿線。至于粗糙的斷裂區(qū)，則是最后突然斷裂形成的。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，機械零件的失效，約有70%左右是疲勞引起的，而且造成的事故大多數(shù)是災難性的。因此，通過實驗研究金屬材料抗疲勞的性能是有實際意義的。圖1-1 疲勞宏觀斷口一實驗目的1.了解測定材料疲勞極限的方法。2.掌握金屬材料拉拉疲勞測試的方法。3.觀察疲勞失效現(xiàn)象和斷口特征。4.掌握慢應變速率拉伸試驗的方法。二、實驗設備1.PLD-50KN-250NM拉扭疲勞試驗機。2.游標卡尺。3.試驗材料S135鉆桿鋼。4.PLT-10慢應變速率拉伸試驗。三實驗原理及方法在交變應力的應力循環(huán)中，最小應力和

3、最大應力的比值為應力比： （1-1）稱為循環(huán)特征或應力比。在既定的r下，若試樣的最大應力為，經歷N1次循環(huán)后，發(fā)生疲勞失效，則N1稱為最大應力r為時的疲勞壽命（簡稱壽命）。實驗表明，在同一循環(huán)特征下，最大應力越大，則壽命越短；隨著最大應力的降低，壽命迅速增加。表示最大應力與壽命N的關系曲線稱為應力-壽命曲線或S-N曲線。碳鋼的S-N曲線如圖1-2所示。由圖可見，當應力降到某一極限值時，S-N曲線趨近于水平線。即應力不超過時，壽命N可無限增大。稱為疲勞極限或持久極限。下標r表示循環(huán)特征。實驗表明，黑色金屬試樣如經歷107次循環(huán)仍未失效，則再增加循環(huán)次數(shù)一般也不會失效。故可把107次循環(huán)下仍未失效

4、的最大應力作為持久極限。而把N0=107稱為循環(huán)基數(shù)。有色金屬的S-N曲線在N>5×108時往往仍未趨于水平，通常規(guī)定一個循環(huán)基數(shù)N0，例如取N0=108，把它對應的最大應力作為“條件”持久極限。圖1-2 疲勞試驗S-N曲線工程問題中，有時根據(jù)零件壽命的要求，在規(guī)定的某一循環(huán)次數(shù)下，測出，并稱之為疲勞強度。它有別于上面定義的疲勞極限。疲勞試驗常采用循環(huán)加載，其加載波形如圖1-3所示。圖1-3 疲勞應力循環(huán)扭轉疲勞試驗在PLD-100KN型拉-拉電液伺服疲勞試驗機上進行，扭轉疲勞試驗時，采用應力控制，加載頻率為5Hz，加載波形為三角波，試驗環(huán)境為實驗室大氣。慢應變速率法是基于在一

5、定的應變速率下，發(fā)生應力腐蝕開裂的傾向最大的現(xiàn)象提出來的。該方法是將試樣（一般是光滑試樣，但也可用缺口試樣或預制裂紋的試樣）浸入介質中，以恒定的速率（在 /s 范圍內）將試樣拉斷，測量斷口的斷面收縮率。定義介質影響系數(shù)： （1-2）作為斷口脆化程度來預測金屬的應力腐蝕開裂傾向。式（1-2）中和分別為試樣在空氣和介質中的斷面收縮率。所以確定或斷口脆化程度都要參照在空氣中金屬的試驗結果。四實驗方法1.試驗標準本實驗參照GB/T 12443-2007金屬材料扭應力疲勞試驗方法和GB 3075-80金屬軸向疲勞試驗方法進行試驗。2.試樣疲勞試樣的主要有圓柱形、漏斗形、板狀，如圖1-4所示。（a）圓柱形

6、試樣 （b）漏斗形試樣（c）板狀試樣圖1-4 試樣形狀3.試驗參數(shù)的確定軸向應力由下式求得： 或 （1-3）式中，為軸向應力，為試驗件的半徑。試驗過程中試驗機的夾頭以一定的位移速度移動，試樣即以慢恒速（）拉伸。由于試驗機部分的剛度比試樣高的多，所以試樣伸長可用卡頭的相應位移來代替?？砂凑障率接嬎悖?（1-4） （1-5）式中：-工程應變；-試樣標矩長度；-應變速率；-夾頭的位移速度。當夾頭移動速度保持恒定時，可認為試樣的應變速率保持不變。但嚴格地說，試樣的應變速率應該是，為瞬時標矩長度。事實上，在整個試驗過程中是一個變量，所以試樣的應變速率在整個試驗過程中并不是恒定的量，而是變量。特別是對韌性

7、金屬材料拉伸時，一旦出現(xiàn)頸縮，則在頸縮區(qū)的實際應變速率可能會增加一個數(shù)量級。這就有可能使試樣的應變速率進入或者偏離臨界應變速率范圍。預制裂紋試樣裂紋尖端塑性區(qū)尺寸如果保持相同，則應變速率也保持在一恒定值。因此，用預制裂紋試樣做慢應變速率試驗要比采用普通的光滑試樣更為合適、方便。五試樣的制備1.取樣及要求試驗取樣部位、取向和方法按有關標準和雙方協(xié)議。同一批試樣所用材料應為同一牌號和同一爐號，并要求質地均勻沒有缺陷。疲勞強度與試樣取料部位鍛壓方向等有關，并受表面加工熱處理等工藝條件的影響較大。2.機加工所有的機械加工不允許改變試樣的冶金組織或力學性能，且引起的試樣表面加工硬化應盡可能小。磨削精加工較硬材料的試樣時，應提供足夠的冷卻液，確保試樣表面不過熱。工作部分與過度圓弧的連接應光滑，不應出現(xiàn)機加工痕跡。3.表面拋光拋光后，試樣工作部分的表面粗糙度的允許最大值為0.32六、試驗過程1.安裝試樣將試樣緊固于試驗機上，使試樣與試驗機夾頭保持良好同軸。2.試驗參數(shù)設置包括軸向應力幅、平均應力、試驗頻率3.測定在一定軸向應力下的疲勞性能七實驗結果處理 1.下列情況實驗數(shù)據(jù)無效：載荷過高致試樣彎曲變形過大，造成中途停機；斷口有明顯夾渣致使壽命偏低。2.將所得實驗數(shù)據(jù)列表。材 料應力比應力幅疲勞壽命S1350.1444.416