金屬疲勞試驗指導(dǎo)書

1、金屬疲勞、應(yīng)力腐蝕試驗及宏觀斷口分析在足夠大的交變應(yīng)力作用下，由于金屬構(gòu)件外形突變或表面刻痕或內(nèi)部缺陷等部位，都可能因較大的應(yīng)力集中引發(fā)微觀裂紋。分散的微觀裂紋經(jīng)過集結(jié)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(gòu)件橫截面逐步削弱，當(dāng)達到一定限度時，構(gòu)件會突然斷裂。金屬因交變應(yīng)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(dāng)承受交變應(yīng)力時，往往在應(yīng)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(yīng)力使裂紋的兩側(cè)時而張開時而閉合，相互擠壓反復(fù)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(zāi)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?zāi)康?.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(yīng)變速率拉伸試驗的方法。二、實驗設(shè)備1.PLD-50KN-250NM拉扭疲勞試驗機。2.游標(biāo)卡尺。3.試驗材料S135鉆桿鋼。4.PLT-10慢應(yīng)變速率拉伸試驗。三實驗原理及方法在交變應(yīng)力的應(yīng)力循環(huán)中，最小應(yīng)力和

3、最大應(yīng)力的比值為應(yīng)力比： （1-1）稱為循環(huán)特征或應(yīng)力比。在既定的r下，若試樣的最大應(yīng)力為，經(jīng)歷N1次循環(huán)后，發(fā)生疲勞失效，則N1稱為最大應(yīng)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(yīng)力越大，則壽命越短；隨著最大應(yīng)力的降低，壽命迅速增加。表示最大應(yīng)力與壽命N的關(guān)系曲線稱為應(yīng)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(dāng)應(yīng)力降到某一極限值時，S-N曲線趨近于水平線。即應(yīng)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(biāo)r表示循環(huán)特征。實驗表明，黑色金屬試樣如經(jīng)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(yīng)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(yīng)的最大應(yīng)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(yīng)力循環(huán)扭轉(zhuǎn)疲勞試驗在PLD-100KN型拉-拉電液伺服疲勞試驗機上進行，扭轉(zhuǎn)疲勞試驗時，采用應(yīng)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(yīng)變速率法是基于在一

5、定的應(yīng)變速率下，發(fā)生應(yīng)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(yù)制裂紋的試樣）浸入介質(zhì)中，以恒定的速率（在 /s 范圍內(nèi)）將試樣拉斷，測量斷口的斷面收縮率。定義介質(zhì)影響系數(shù)： （1-2）作為斷口脆化程度來預(yù)測金屬的應(yīng)力腐蝕開裂傾向。式（1-2）中和分別為試樣在空氣和介質(zhì)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(jié)果。四實驗方法1.試驗標(biāo)準(zhǔn)本實驗參照GB/T 12443-2007金屬材料扭應(yīng)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(yīng)力由下式求得： 或 （1-3）式中，為軸向應(yīng)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(yīng)位移來代替?？砂凑障率接嬎悖?（1-4） （1-5）式中：-工程應(yīng)變；-試樣標(biāo)矩長度；-應(yīng)變速率；-夾頭的位移速度。當(dāng)夾頭移動速度保持恒定時，可認(rèn)為試樣的應(yīng)變速率保持不變。但嚴(yán)格地說，試樣的應(yīng)變速率應(yīng)該是，為瞬時標(biāo)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(yīng)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(yīng)變速率可能會增加一個數(shù)量級。這就有可能使試樣的應(yīng)變速率進入或者偏離臨界應(yīng)變速率范圍。預(yù)制裂紋試樣裂紋尖端塑性區(qū)尺寸如果保持相同，則應(yīng)變速率也保持在一恒定值。因此，用預(yù)制裂紋試樣做慢應(yīng)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(guān)標(biāo)準(zhǔn)和雙方協(xié)議。同一批試樣所用材料應(yīng)為同一牌號和同一爐號，并要求質(zhì)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(guān)，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(xué)性能，且引起的試樣表面加工硬化應(yīng)盡可能小。磨削精加工較硬材料的試樣時，應(yīng)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(yīng)光滑，不應(yīng)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(shè)置包括軸向應(yīng)力幅、平均應(yīng)力、試驗頻率3.測定在一定軸向應(yīng)力下的疲勞性能七實驗結(jié)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(yīng)力比應(yīng)力幅疲勞壽命S1350.1444.416