疲劳试验-大纲Word下载.doc

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这表明当所加交变应力降低到这个水平数值时，试样可承受无限次应力循环而不断裂。

因此将水平部分所对应的应力称之为金属的疲劳极限，用符号σR表示（R为最小应力与最大应力之比，称为应力比）。

若试验在对称循环应力（即R=-1）下进行，则其疲劳极限以σ-1表示。

中低强度结构钢、铸铁等材料的S-N曲线属于这一类。

实验表明，黑色金属试样如经历107次循环仍未失效，则再增加循环次数一般也不会失效。

故可把107次循环下仍未失效的最大应力作为持久极限。

另一类疲劳曲线没有水平部分，其特点是随应力降低，循环周次N不断增大，但不存在无限寿命，如图1（b）所示。

在这种情况下，常根据实际需要定出一定循环周次（108或5×

107…）下所对应的应力作为金属材料的“条件疲劳极限”，用符号σR（N）表示。

（a）（b）

图1金属的S-N曲线示意图

（a）有明显水平部分的S-N曲线（b）无明显水平部分的S-N曲线

2.S-N曲线的测定

（1）条件疲劳极限的测定

测试条件疲劳极限采用升降法，试件取13根以上。

每级应力增量取预计疲劳极限的5%以内。

第一根试件的试验应力水平略高于预计疲劳极限。

根据上根试件的试验结果，是失效还是通过（即达到循环基数不破坏）来决定下根试件应力增量是减还是增，失效则减，通过则增。

直到全部试件做完。

第一次出现相反结果（失效和通过，或通过和失效）以前的试验数据，如在以后试验数据波动范围之外，则予以舍弃；

否则，作为有效数据，连同其他数据加以利用，按以下公式计算疲劳极限：

式中m—有效试验总次数；

n—应力水平级数；

σi—第i级应力水平；

vi—第i级应力水平下的试验次数。

例如某实验过程如图2所示，共14根试件。

预计疲劳极限为390MPa，取其2.5%约10MPa为应力增量，第一根试件的应力水平402MPa，全部试验数据波动如图2，可见，第四根试件为第一次出现的相反结果，在其之前，只有第一根在以后试验波动范围之外，为无效，则按上式求得条件疲劳极限如下：

σR（N）=（3×

392+5×

382+4×

372+1×

362）=380MPa

图2增减法测定疲劳极限试验过程

（2）S-N曲线的测定

测定S-N曲线（即应力水平-循环次数N曲线）采用成组法。

至少取五级应力水平，各级取一组试件，其数量分配，因随应力水平降低而数据离散增大，故要随应力水平降低而增多，通常每组5根。

升降法求得的，作为S-N曲线最低应力水平点。

然后以其为纵坐标，以循环数N或N的对数为横坐标，用最佳拟合法绘制成S-N曲线，如图3所示。

图3S-N曲线

三、疲劳试验机及疲劳试样

1.疲劳试验机

疲劳试验机有机械传动、液压传动、电磁谐振以及近年来发展起来的电液伺服等，本实验所用设备为MTS810电液伺服疲劳试验机。

图4电液伺服材料试验机

图4所示的是MTS系列电液伺服材料试验机原理图。

给定信号Ⅰ通过伺服控制器将控制信号送到伺服阀1，用来控制从高压液压源Ⅲ来的高压油推动作动器2变成机械运动作用到试样3上，同时载荷传感器4，应变传感器5和位移传感器6又把力、应变、位移转化成电信号，其中一路反馈到伺服控制器中与给定信号比较，将差值信号送到伺服阀调整作动器位置，不断反复此过程，最后试样上承受的力（应变、位移）达到要求精度，而力、应变、位移的另一路信号通入读出器单元Ⅳ上，实现记录功能。

2.疲劳试样

疲劳试样的种类很多，其形状和尺寸主要决定于试验目的、所加载荷的类型及试验机型号。

现将国家标准中推荐的几种轴向疲劳试验的试样列于图5至图10，以供选用。

图5圆柱形光滑轴向疲劳试样图6漏斗形光滑轴向疲劳试样

图7漏斗形轴向疲劳试样图图8矩形光滑轴向疲劳试样

图9圆柱形V形缺口轴向疲劳试样

图10矩形U形缺口轴向疲劳试样

以上各种试样的夹持部分应根据所用的试验机的夹持方式设计。

夹持部分截面面积与试验部分截面面积之比大于1.5。

若为螺纹夹持，应大于3。

四、实验步骤与方法

本实验在MTS810电液伺服疲劳试验机上进行，试样形状与尺寸如图8所示。

1.领取试验所需试样，用游标卡尺测量试件的原始尺寸。

表面有加工瑕疵的试样不能使用。

2.开启机器，设置各项试验参数，

3.安装试件。

使试样与试验机主轴保持良好的同轴性。

4.静力试验。

取其中一根合格试样，先进行拉伸测其σb。

静力试验目的一方面检验材质强度是否符合热处理要求，另一方面可根据此确定各级应力水平。

5.设定疲劳试验具体参数，进行试验。

第一根试样最大应力约为（0.6~0.7）σb，经N1次循环后失效。

继取另一试样使其最大应力σ2=（0.40～0.45）σb，若其疲劳寿命N<

107，则应降低应力再做。

直至在σ2作用下，N2>

107。

这样，材料的持久极限σ-1在σ1与σ2之间。

在σ1与σ2之间插入4～5个等差应力水平，它们分别为σ3﹑σ4﹑σ5﹑σ6，逐级递减进行实验，相应的寿命分别为N3﹑N4﹑N5﹑N6。

6. 

观察与记录。

由高应力到低应力水平，逐级进行试验。

记录每个试样断裂的循环周次，同时观察断口位置和特征。

7.实验结束，取下试件。

清理实验场地，试验机一切机构复原。

8.根据实验记录进行有关计算。

将所得实验数据列表；

然后以lgN为横坐标，σmax为纵坐标，绘制光滑的S-N曲线，并确定σ-1的大致数值。

报告中绘出破坏断口，指出其特征。

五、思考题：

1. 

疲劳试样的有效工作部分为什么要磨削加工，不允许有周向加工刀痕？

2. 

实验过程中若有明显的振动，对寿命会产生怎样的影响？

3. 

若规定循环基数为N=106,对黑色金属来说，实验所得的临界应力值σmax能否称为对应于N=106的疲劳极限？