金屬疲勞試驗課件

金屬疲勞試驗

主講教師:金屬疲勞試驗主講教師:1一、實驗目的1.了解疲勞試驗的基本原理。2.掌握疲勞極限、S-N曲線的測試方法。一、實驗目的1.了解疲勞試驗的基本原理。2二、實驗原理

1．疲勞抗力指標的意義目前評定金屬材料疲勞性能的基本方法就是通過試驗測定其S-N曲線(疲勞曲線)，即建立最大應力σmax或應力振幅σα與其相應的斷裂循環(huán)周次N之間的關系曲線。不同金屬材料的S-N曲線形狀是不同的，大致可以分為兩類，如圖1所示。其中一類曲線從某應力水平以下開始出現(xiàn)明顯的水平部分，如圖1(a)所示。這表明當所加交變應力降低到這個水平數(shù)值時，試樣可承受無限次應力循環(huán)而不斷裂。二、實驗原理1．疲勞抗力指標的意義3這表明當所加交變應力降低到這個水平數(shù)值時，試樣可承受無限次應力循環(huán)而不斷裂。因此將水平部分所對應的應力稱之為金屬的疲勞極限，用符號σR表示(R為最小應力與最大應力之比，稱為應力比)。若試驗在對稱循環(huán)應力(即R=-1)下進行，則其疲勞極限以σ-1表示。中低強度結構鋼、鑄鐵等材料的S-N曲線屬于這一類。對這一類材料在測試其疲勞極限時，不可能做到無限次應力循環(huán)，而試驗表明，這類材料在交變應力作用下，如果應力循環(huán)達到107周次不斷裂，則表明它可承受無限次應力循環(huán)也不會斷裂，所以對這類材料常用107周次作為測定疲勞極限的基數(shù)。另一類疲勞曲線沒有水平部分，其特點是隨應力降低，循環(huán)周次N不斷增大，但不存在無限壽命。如圖1(b)所示。在這種情況下，常根據(jù)實際需要定出一定循環(huán)周次(108或5×107…)下所對應的應力作為金屬材料的“條件疲勞極限”，用符號σR(N)表示。

這表明當所加交變應力降低到這個水平數(shù)值時，試樣可承受無限次應42．S-N曲線的測定(1)條件疲勞極限的測定測試條件疲勞極限采用升降法，試件取13根以上。每級應力增量取預計疲勞極限的5％以內。第一根試件的試驗應力水平略高于預計疲勞極限。根據(jù)上根試件的試驗結果，是失效還是通過（即達到循環(huán)基數(shù)不破壞）來決定下根試件應力增量是減還是增，失效則減，通過則增。直到全部試件做完。第一次出現(xiàn)相反結果（失效和通過，或通過和失效）以前的試驗數(shù)據(jù)，如在以后試驗數(shù)據(jù)波動范圍之外，則予以舍棄；否則，作為有效數(shù)據(jù)，連同其他數(shù)據(jù)加以利用，按下列公式計算疲勞極限：12．S-N曲線的測定(1)條件疲勞極限的測定15式中m——有效試驗總次數(shù)；n—應力水平級數(shù)；—第i級應力水平；—第i級應力水平下的試驗次數(shù)。

例如某試驗過程如圖2所示，共14根試件。預計疲勞極限為390MPa，取其2.5％約10MPa為應力增量，第一根試件的應力水平402MPa，全部試驗數(shù)據(jù)波動如圖2，可見，第四根試件為第一次出現(xiàn)相反結果，在其之前，只有第一根在以后試驗波動范圍之外，為無效，則按上式求得條件疲勞極限如下：

式中m——有效試驗總次數(shù)；n—應力6圖2增減法測定疲勞極限試驗過程這樣求得的，存活率為50％，欲要求其他存活率的，可用數(shù)理統(tǒng)計方法處理。

圖2增減法測定疲勞極限試驗過程這樣求得的，存活率為50％，7（2）S-N曲線的測定測定S－N曲線（即應力水平－循環(huán)次數(shù)N曲線）采用成組法。至少取五級應力水平，各級取一組試件，其數(shù)量分配，因隨應力水平降低而數(shù)據(jù)離散增大，故要隨應力水平降低而增多，通常每組5根。升降法求得的，作為S－N曲線最低應力水平點。然后，以為縱坐標，以循環(huán)數(shù)N或N的對數(shù)為橫坐標，用最佳擬合法繪制成S－N曲線，如圖3所示。（2）S-N曲線的測定8三、疲勞實驗機及疲勞試樣1.疲勞實驗機

疲勞試驗機有機械傳動、液壓傳動、電磁諧振以及近年來發(fā)展起來的電液伺服等，機械傳動類中又有重力加載、曲柄連桿加載、飛輪慣性、機械振動等形式，以下簡述幾種常用的疲勞試驗機。三、疲勞實驗機及疲勞試樣1.疲勞實驗機9(1)旋轉彎曲疲勞試驗機這種試驗機的歷史最悠久、積累數(shù)據(jù)最多，是一種迄今仍在廣泛應用的疲勞試驗機設備，是從模擬軸類工作條件發(fā)展起來的。圖4示出了旋轉彎曲疲勞試驗機外形圖，試樣1與左、右彈簧夾頭連成一個整體作為轉梁。用左、右兩隊滾動軸承四點支承在一對轉筒2內，電動機3通過計數(shù)器5、活動聯(lián)軸節(jié)4帶動試樣在轉筒內轉動，加載砝碼通過吊桿7和橫梁6作用在轉筒2上，從而使試樣承受一個恒彎矩。吊重不動，試樣轉動，則試樣截面上承受對稱循環(huán)彎曲應力。當試樣疲勞斷裂時，轉筒2落下觸動停車開關，計數(shù)器記下循環(huán)斷裂周次N，這樣的試驗機轉速一般在3000～10000次/min。圖中8為加載卸載手輪。(1)旋轉彎曲疲勞試驗機10（2）電磁諧振疲勞試驗機瑞士Amsler高頻疲勞試驗機是一個由試樣3、彈性測力計4、調節(jié)固有頻率的質量塊1、電磁振蕩器14、預加載彈簧5以及重大的起反作用的質量塊2組成的振動體系，整個體系放在四個隔振塊7上，如圖5所示，這個體系有一個固有振動頻率，微小的振動就使小電磁鐵13得到一個與固有頻率同相位的電勢信號通入放大器15，經(jīng)過功率放大，得到強大的電流通入電磁振蕩器14，使試樣以系統(tǒng)固有頻率經(jīng)受循環(huán)載荷。彈性測力計4的彈性外殼與中心自由懸垂不受力的桿17在系統(tǒng)受力過程中發(fā)生位移差而使帶著小鏡子16的桿轉動，小鏡子16上接收來自線光源在轉動中（2）電磁諧振疲勞試驗機11圖5Amsler高頻疲勞試驗機

發(fā)生偏轉，偏轉反映在透明標尺9上，指示試樣所受的力的大小及范圍。

圖5Amsler高頻疲勞試驗機發(fā)生偏轉，偏轉反映在透12調節(jié)光電管11及光闌10位置，形成載荷信號反饋到放大器15，修正通入振蕩器的電流值，從而修正試樣所受載荷大小。質量塊1是由幾個圓盤組成的，可通過增減圓盤改變質量以調節(jié)固有頻率，改變試樣尺寸也可調節(jié)固有頻率，頻率范圍為60～300Hz。通過調節(jié)絲杠6和彈簧5可施加靜載荷，欲得到任意不對稱的循環(huán)載荷。這樣的機器現(xiàn)在應用很廣泛，可用之做軸向加載和彎曲加載的試驗以及裂紋擴展方面的試驗。機器裝有載荷保護裝置，當載荷過大、過小超過規(guī)定范圍時，自動停車。調節(jié)光電管11及光闌10位置，形成載荷信號反饋到放大器15，13（3）電液伺服疲勞試驗機

圖6所示的是Instron系列電液伺服材料試驗機原理圖。給定信號I通過伺服控制器將控制信號送到伺服閥1，用來控制從高壓液壓源III來的高壓油推動作動器2變成機械運動作用到試樣3上，同時載荷傳感器4，應變傳感器5和位移傳感器6又把力、應變、位移轉化成電信號，其中一路反饋到伺服控制器中與給定信號比較，將差值信號送到伺服閥調整作動器位置，不斷反復此過程，最后試樣上承受的力（應變、位移）達到要求精度，而力、位移、應變的另一路信號通入讀出器單元IV上，實現(xiàn)記錄功能。（3）電液伺服疲勞試驗機142．疲勞試樣疲勞試樣的種類很多，其形狀和尺寸主要決定于試驗目的、所加載荷的類型及試驗機型號。試驗時所加載荷類型不同，試樣形狀和尺寸也不相同?，F(xiàn)將國家標準中推薦的幾種旋轉彎曲疲勞試驗和軸向疲勞試驗的試樣列于圖7至圖14，以供選用。圖7圓柱形光滑彎曲疲勞試樣

圖8圓柱形缺口彎曲疲勞試樣

2．疲勞試樣疲勞試樣的種類很多，其形狀和尺寸主要決定于試驗目15圖9圓柱形光滑軸向疲勞試樣圖10圓柱形V形缺口軸向疲勞試樣圖11漏斗形光滑軸向疲勞試樣圖12矩形光滑軸向疲勞試樣

圖9圓柱形光滑軸向疲勞試樣圖16圖13漏斗形軸向疲勞試樣圖14矩形U形缺口軸向疲勞試樣

以上各種試樣的夾持部分應根據(jù)所用的試驗機的夾持方式設計。夾持部分截面面積與試驗部分截面面積之比大于1.5。若為螺紋夾持，應大于3。圖13漏斗形軸向疲勞試樣17四、實驗步驟與方法本實驗在旋轉彎曲疲勞試驗機上進行，其試樣形狀與尺寸如圖7所示。實驗材料以2024鋁合金或中碳鋼為宜。1．試驗準備工作（1）領取試驗所需試樣，將試樣兩端打上編號。（2）用精度為0.02mm的游標卡尺測量試樣尺寸，在試樣工作區(qū)的兩個相互垂直方向各測一次，取其平均值。按國標規(guī)定，凡是偏差大于±IT10和表面有加工疵品的試樣均不能用。

四、實驗步驟與方法本實驗在旋轉彎曲疲勞試驗機上進行，其試樣形18（3）靜力試驗。取其中一根合格試樣，在拉伸試驗機上測其σb。靜力試驗目的一方面檢驗材質強度是否符合熱處理要求，另一方面可根據(jù)此確定各級應力水平。2．S-N曲線測試（1）按前述有關規(guī)定確定各級應力水平。（2）確定載荷。根據(jù)試樣直徑d及載荷作用點到支座距離α，代入彎曲應力計算公式：得：

1（3）靜力試驗。取其中一根合格試樣，在拉伸試驗機上測其σ19

將選定的應力σ1，σ2…代入上式，即可求得相應的F1，F(xiàn)2…。此時若砝碼配重無法滿足計算載荷F1，F(xiàn)2…時，可按實際所加的相近重量，依次為實際載荷，再反算出實際應力。（3）安裝試樣。將試樣安裝在試驗機上，使其與試驗機主軸保持良好同軸，用百分表檢查。再用聯(lián)軸節(jié)將旋轉整體與電動機連接起來，同時把計數(shù)器調零。若電動機帶有轉速調節(jié)器，也將其調至零點。（4）正式試驗。接通電源，轉動電機轉速調節(jié)器，由零逐漸加快。試驗時，一般以6000r/min為宜。當達到試驗轉速后，再把估算的砝碼加到砝碼盤上。將選定的應力σ1，σ2…代入上式，即可求得相應的F20（5）觀察與記錄。由高應力到低應力水平，逐級進行試驗。記錄每個試樣斷裂的循環(huán)周次，同時觀察斷口位置和特征。3.條件疲勞極限σR(N)的測定條件疲勞極限的測定方法和操作步驟與其S-N曲線的測定基本上一樣，所不同的就在應力水平及應力增量的選定上。對鋼材而言，σR(N)測試中，也選四級應力水平，其中第一個試樣的應力σ1取0.5σb，而應力增量建議取0.025σb。（5）觀察與記錄。由高應力到低應力水平，逐級進行試驗。記錄21然后用升降法進行試驗，并將試驗結果記在圖15中。在試驗過程中隨時記錄，隨時進行數(shù)據(jù)分析。當有效數(shù)據(jù)達到13個以上，則停止試驗。將圖15中的數(shù)據(jù)代入式1計算條件疲勞極限。圖15升降法試樣情況記錄表然后用升降法進行試驗，并將試驗結果記在圖15中。在試22五、試驗報告要求1.說明試驗所用設備的型號、畫出試樣草圖。2.簡述升降法測定σR(N)的方法。3.按圖16的試驗數(shù)據(jù)，計算2024鋁合金在R=0.1時的條件疲勞極限σR(N)值。圖162024鋁合金R＝0.1的升降圖五、試驗報告要求1.說明試驗所用設備的型號、畫出試樣草圖1623END!END!24

(a)(b)圖1金屬的S-N曲線示意圖(a)有明顯水平部分的S-N曲線；(b)無明顯水平部分S-N曲

圖3S－N曲線圖(a)25圖4旋轉彎曲疲勞試驗機圖4旋轉彎曲疲勞試驗機26

圖6電液伺服材料試驗機圖6電液伺服材料試驗機27金屬疲勞試驗

主講教師:金屬疲勞試驗主講教師:28一、實驗目的1.了解疲勞試驗的基本原理。2.掌握疲勞極限、S-N曲線的測試方法。一、實驗目的1.了解疲勞試驗的基本原理。29二、實驗原理

1．疲勞抗力指標的意義目前評定金屬材料疲勞性能的基本方法就是通過試驗測定其S-N曲線(疲勞曲線)，即建立最大應力σmax或應力振幅σα與其相應的斷裂循環(huán)周次N之間的關系曲線。不同金屬材料的S-N曲線形狀是不同的，大致可以分為兩類，如圖1所示。其中一類曲線從某應力水平以下開始出現(xiàn)明顯的水平部分，如圖1(a)所示。這表明當所加交變應力降低到這個水平數(shù)值時，試樣可承受無限次應力循環(huán)而不斷裂。二、實驗原理1．疲勞抗力指標的意義30這表明當所加交變應力降低到這個水平數(shù)值時，試樣可承受無限次應力循環(huán)而不斷裂。因此將水平部分所對應的應力稱之為金屬的疲勞極限，用符號σR表示(R為最小應力與最大應力之比，稱為應力比)。若試驗在對稱循環(huán)應力(即R=-1)下進行，則其疲勞極限以σ-1表示。中低強度結構鋼、鑄鐵等材料的S-N曲線屬于這一類。對這一類材料在測試其疲勞極限時，不可能做到無限次應力循環(huán)，而試驗表明，這類材料在交變應力作用下，如果應力循環(huán)達到107周次不斷裂，則表明它可承受無限次應力循環(huán)也不會斷裂，所以對這類材料常用107周次作為測定疲勞極限的基數(shù)。另一類疲勞曲線沒有水平部分，其特點是隨應力降低，循環(huán)周次N不斷增大，但不存在無限壽命。如圖1(b)所示。在這種情況下，常根據(jù)實際需要定出一定循環(huán)周次(108或5×107…)下所對應的應力作為金屬材料的“條件疲勞極限”，用符號σR(N)表示。

這表明當所加交變應力降低到這個水平數(shù)值時，試樣可承受無限次應312．S-N曲線的測定(1)條件疲勞極限的測定測試條件疲勞極限采用升降法，試件取13根以上。每級應力增量取預計疲勞極限的5％以內。第一根試件的試驗應力水平略高于預計疲勞極限。根據(jù)上根試件的試驗結果，是失效還是通過（即達到循環(huán)基數(shù)不破壞）來決定下根試件應力增量是減還是增，失效則減，通過則增。直到全部試件做完。第一次出現(xiàn)相反結果（失效和通過，或通過和失效）以前的試驗數(shù)據(jù)，如在以后試驗數(shù)據(jù)波動范圍之外，則予以舍棄；否則，作為有效數(shù)據(jù)，連同其他數(shù)據(jù)加以利用，按下列公式計算疲勞極限：12．S-N曲線的測定(1)條件疲勞極限的測定132式中m——有效試驗總次數(shù)；n—應力水平級數(shù)；—第i級應力水平；—第i級應力水平下的試驗次數(shù)。

例如某試驗過程如圖2所示，共14根試件。預計疲勞極限為390MPa，取其2.5％約10MPa為應力增量，第一根試件的應力水平402MPa，全部試驗數(shù)據(jù)波動如圖2，可見，第四根試件為第一次出現(xiàn)相反結果，在其之前，只有第一根在以后試驗波動范圍之外，為無效，則按上式求得條件疲勞極限如下：

式中m——有效試驗總次數(shù)；n—應力33圖2增減法測定疲勞極限試驗過程這樣求得的，存活率為50％，欲要求其他存活率的，可用數(shù)理統(tǒng)計方法處理。

圖2增減法測定疲勞極限試驗過程這樣求得的，存活率為50％，34（2）S-N曲線的測定測定S－N曲線（即應力水平－循環(huán)次數(shù)N曲線）采用成組法。至少取五級應力水平，各級取一組試件，其數(shù)量分配，因隨應力水平降低而數(shù)據(jù)離散增大，故要隨應力水平降低而增多，通常每組5根。升降法求得的，作為S－N曲線最低應力水平點。然后，以為縱坐標，以循環(huán)數(shù)N或N的對數(shù)為橫坐標，用最佳擬合法繪制成S－N曲線，如圖3所示。（2）S-N曲線的測定35三、疲勞實驗機及疲勞試樣1.疲勞實驗機

疲勞試驗機有機械傳動、液壓傳動、電磁諧振以及近年來發(fā)展起來的電液伺服等，機械傳動類中又有重力加載、曲柄連桿加載、飛輪慣性、機械振動等形式，以下簡述幾種常用的疲勞試驗機。三、疲勞實驗機及疲勞試樣1.疲勞實驗機36(1)旋轉彎曲疲勞試驗機這種試驗機的歷史最悠久、積累數(shù)據(jù)最多，是一種迄今仍在廣泛應用的疲勞試驗機設備，是從模擬軸類工作條件發(fā)展起來的。圖4示出了旋轉彎曲疲勞試驗機外形圖，試樣1與左、右彈簧夾頭連成一個整體作為轉梁。用左、右兩隊滾動軸承四點支承在一對轉筒2內，電動機3通過計數(shù)器5、活動聯(lián)軸節(jié)4帶動試樣在轉筒內轉動，加載砝碼通過吊桿7和橫梁6作用在轉筒2上，從而使試樣承受一個恒彎矩。吊重不動，試樣轉動，則試樣截面上承受對稱循環(huán)彎曲應力。當試樣疲勞斷裂時，轉筒2落下觸動停車開關，計數(shù)器記下循環(huán)斷裂周次N，這樣的試驗機轉速一般在3000～10000次/min。圖中8為加載卸載手輪。(1)旋轉彎曲疲勞試驗機37（2）電磁諧振疲勞試驗機瑞士Amsler高頻疲勞試驗機是一個由試樣3、彈性測力計4、調節(jié)固有頻率的質量塊1、電磁振蕩器14、預加載彈簧5以及重大的起反作用的質量塊2組成的振動體系，整個體系放在四個隔振塊7上，如圖5所示，這個體系有一個固有振動頻率，微小的振動就使小電磁鐵13得到一個與固有頻率同相位的電勢信號通入放大器15，經(jīng)過功率放大，得到強大的電流通入電磁振蕩器14，使試樣以系統(tǒng)固有頻率經(jīng)受循環(huán)載荷。彈性測力計4的彈性外殼與中心自由懸垂不受力的桿17在系統(tǒng)受力過程中發(fā)生位移差而使帶著小鏡子16的桿轉動，小鏡子16上接收來自線光源在轉動中（2）電磁諧振疲勞試驗機38圖5Amsler高頻疲勞試驗機

發(fā)生偏轉，偏轉反映在透明標尺9上，指示試樣所受的力的大小及范圍。

圖5Amsler高頻疲勞試驗機發(fā)生偏轉，偏轉反映在透39調節(jié)光電管11及光闌10位置，形成載荷信號反饋到放大器15，修正通入振蕩器的電流值，從而修正試樣所受載荷大小。質量塊1是由幾個圓盤組成的，可通過增減圓盤改變質量以調節(jié)固有頻率，改變試樣尺寸也可調節(jié)固有頻率，頻率范圍為60～300Hz。通過調節(jié)絲杠6和彈簧5可施加靜載荷，欲得到任意不對稱的循環(huán)載荷。這樣的機器現(xiàn)在應用很廣泛，可用之做軸向加載和彎曲加載的試驗以及裂紋擴展方面的試驗。機器裝有載荷保護裝置，當載荷過大、過小超過規(guī)定范圍時，自動停車。調節(jié)光電管11及光闌10位置，形成載荷信號反饋到放大器15，40（3）電液伺服疲勞試驗機

圖6所示的是Instron系列電液伺服材料試驗機原理圖。給定信號I通過伺服控制器將控制信號送到伺服閥1，用來控制從高壓液壓源III來的高壓油推動作動器2變成機械運動作用到試樣3上，同時載荷傳感器4，應變傳感器5和位移傳感器6又把力、應變、位移轉化成電信號，其中一路反饋到伺服控制器中與給定信號比較，將差值信號送到伺服閥調整作動器位置，不斷反復此過程，最后試樣上承受的力（應變、位移）達到要求精度，而力、位移、應變的另一路信號通入讀出器單元IV上，實現(xiàn)記錄功能。（3）電液伺服疲勞試驗機412．疲勞試樣疲勞試樣的種類很多，其形狀和尺寸主要決定于試驗目的、所加載荷的類型及試驗機型號。試驗時所加載荷類型不同，試樣形狀和尺寸也不相同。現(xiàn)將國家標準中推薦的幾種旋轉彎曲疲勞試驗和軸向疲勞試驗的試樣列于圖7至圖14，以供選用。圖7圓柱形光滑彎曲疲勞試樣

圖8圓柱形缺口彎曲疲勞試樣

2．疲勞試樣疲勞試樣的種類很多，其形狀和尺寸主要決定于試驗目42圖9圓柱形光滑軸向疲勞試樣圖10圓柱形V形缺口軸向疲勞試樣圖11漏斗形光滑軸向疲勞試樣圖12矩形光滑軸向疲勞試樣

圖9圓柱形光滑軸向疲勞試樣圖43圖13漏斗形軸向疲勞試樣圖14矩形U形缺口軸向疲勞試樣

以上各種試樣的夾持部分應根據(jù)所用的試驗機的夾持方式設計。夾持部分截面面積與試驗部分截面面積之比大于1.5。若為螺紋夾持，應大于3。圖13漏斗形軸向疲勞試樣44四、實驗步驟與方法本實驗在旋轉彎曲疲勞試驗機上進行，其試樣形狀與尺寸如圖7所示。實驗材料以2024鋁合金或中碳鋼為宜。1．試驗準備工作（1）領取試驗所需試樣，將試樣兩端打上編號。（2）用精度為0.02mm的游標卡尺測量試樣尺寸，在試樣工作區(qū)的兩個相互垂直方向各測一次，取其平均值。按國標規(guī)定，凡是偏差大于±IT10和表面有加工疵品的試樣均不能用。

四、實驗步驟與方法本實驗在旋轉彎曲疲勞試驗機上進行，其試樣形45（3）靜力試驗。取其中一根合格試樣，在拉伸試驗機上測其σb。靜力試驗目的一方面檢驗材質強度是否符合熱處理要求，另一方面可根據(jù)此確定各級應力水平。2．S-N曲線測試（1）按前述有關規(guī)定確定各級應力水平。（2）確定載荷。根據(jù)試樣直徑d及載荷作用點到支座距離α，代入彎曲應力計算公式：得：

1（3）靜力試驗。取其中一根合格試樣，在拉伸試驗機上測其σ46

將選定的應力σ1，σ2…代入上式，即可求得相應的F1，F(xiàn)2…。此時若砝碼配重無法滿足計算載荷F1，F(xiàn)2…時，可按實際所加的相近重量，依次為實際載荷，再反算出實際