金属疲劳试验
金属疲劳试验方法
金属疲劳试验方法
金属疲劳试验是一种对金属材料进行疲劳性能评估的方法。
它可以用来测试材料在循环加载下的疲劳寿命以及疲劳行为。
常用的金属疲劳试验方法包括：
1. 疲劳弯曲试验：将金属试样固定在两个支撑点上，通过加载作用使其产生弯曲变形，并进行循环加载，记录试样的破坏次数或使用寿命。
2. 疲劳拉伸试验：将金属试样固定于试验机上，通过加载作用使其产生拉伸变形，并进行循环加载，记录试样的破坏次数或使用寿命。
3. 疲劳扭转试验：将金属试样固定在两个夹具上，通过加载作用使其产生扭转变形，并进行循环加载，记录试样的破坏次数或使用寿命。
4. 疲劳冲击试验：将金属试样固定在冲击机上，通过冲击作用使其产生变形，并进行循环冲击加载，记录试样的破坏次数或使用寿命。
这些试验方法可以通过变化加载幅值、加载频率、试样几何形状等参数的方式，来评估金属材料在不同加载条件下的疲劳性能。
金属疲劳试验方法
铝合金疲劳实验李慕姚 1351626一﹑实验目的1. 观察疲劳失效现象和断口特征。
2. 了解测定材料疲劳极限的方法。
二、实验设备1. 疲劳试验机。
2. 游标卡尺。
三﹑实验原理及方法在交变应力的应力循环中，最小应力和最大应力的比值r=m ax m inσσ （2-16）称为循环特征或应力比。
在既定的r 下，若试样的最大应力为σ1m ax，经历N 1次循环后，发生疲劳失效，则N 1称为最大应力为σ1m ax时的疲劳寿命（简称寿命）。
实验表明，在同一循环特征下，最大应力越大，则寿命越短；随着最大应力的降低，寿命迅速增加。
表示最大应力σmax 与寿命N 的关系曲线称为应力-寿命曲线或S-N 曲线。
碳钢的S-N 曲线如图2－31所示。
从图线看出，当应力降到某一极限值σr 时，S-N 曲线趋近于水平线。
即应力不超过σr 时，寿命N 可无限增大。
称为疲劳极限或持久极限。
下标r 表示循环特征。
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σr 。
而把N 0=107称为循环基数。
有色金属的S-N 曲线在N>5×108时往往仍未趋于水平,通常规定一个循环基数N 0,例如取N 0=108,把它对应的最大应力作为“条件”持久极限。
图２-31 疲劳试验曲线图工程问题中，有时根据零件寿命的要求，在规定的某一循环次数下，测出σmax ，并称之为疲劳强度。
它有别于上面定义的疲劳极限。
用旋转弯曲疲劳实验来测定对称循环的疲劳极限σ-1.设备简单最常使用。
各类旋转弯曲疲劳试验机大同小异，图2-32为这类试验机的原理示意图。
试样1的两端装入左右两个心轴2后，旋紧左右两根螺杆3。
使试样与两个心轴组成一个承受弯曲的“整体梁”上，它支承于两端的滚珠轴承4上。
载荷P 通过加力架作用于“梁”上，其受力简图及弯矩图如图2-33所示。
梁的中段（试样）为纯弯曲，且弯矩为M=21P ɑ。
金属低周热疲劳试验方法 标准
金属低周热疲劳试验方法标准金属低周热疲劳试验方法标准一、引言1. 金属材料在高温下易发生热疲劳现象，因而对金属材料的低周热疲劳性能进行评价非常重要。
而评价的方法就是通过热疲劳试验来进行。
2. 金属低周热疲劳试验方法标准对于确保金属材料的高温使用安全至关重要，因此标准的制定和遵守不容忽视。
二、什么是金属低周热疲劳试验方法标准3. 金属低周热疲劳试验方法标准是一套规范，用于规定金属材料在热膨胀和收缩的条件下进行试验以评估其热疲劳性能的方法。
4. 这些标准涵盖了试验样品的准备、加载方式、试验环境、试验过程、试验结果评定等内容，旨在确保试验的可重复性和有效性。
三、金属低周热疲劳试验方法标准的意义5. 金属低周热疲劳试验方法标准的制定可以帮助工程师和研究人员在设计和使用金属材料时更好地了解其在高温下的性能表现。
6. 合理的试验方法标准可以提高试验的准确性和可比性，为工程实践提供可靠的参考依据。
四、金属低周热疲劳试验方法标准的分类7. 目前，国际上的金属低周热疲劳试验方法标准主要分为两类，一类是基于高温蠕变试验的方法标准，另一类是基于高温振动试验的方法标准。
8. 这两种方法标准都有各自的特点和适用范围，工程师和研究人员需要根据具体情况选择合适的试验方法标准。
五、金属低周热疲劳试验方法标准的实施9. 实施金属低周热疲劳试验方法标准需要严格按照标准规定的试验条件和程序进行，并且需要保证试验设备的精度和稳定性。
10. 对试验结果的评定也需要按照标准的要求进行，才能得到可靠的试验数据和评价结果。
六、个人观点和理解11. 在实际工作中，我认为金属低周热疲劳试验方法标准的制定和实施对于确保金属材料在高温环境下的安全可靠运行至关重要。
12. 合理的试验方法标准可以帮助工程师更好地选用材料、设计结构，并且可以为新材料的研发提供重要参考。
七、总结13. 金属低周热疲劳试验方法标准的制定和实施对于金属材料的高温使用具有重要意义，需要得到工程师和研究人员的高度重视和遵守。
金属疲劳试验
金属疲劳试验主讲教师:一、实验目的1. 了解疲劳试验的基本原理。
2. 掌握疲劳极限、S-N曲线的测试方法。
二、实验原理1．疲劳抗力指标的意义目前评定金属材料疲劳性能的基本方法就是通过试验测定其S-N曲线(疲劳曲线)，即建立最大应力σmax 或应力振幅σα与其相应的断裂循环周次N之间的关系曲线。
不同金属材料的S-N曲线形状是不同的，大致可以分为两类，如图1所示。
其中一类曲线从某应力水平以下开始出现明显的水平部分，如图1(a)所示。
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。
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。
对这一类材料在测试其疲劳极限时，不可能做到无限次应力循环，而试验表明，这类材料在交变应力作用下，如果应力循环达到107周次不断裂，则表明它可承受无限次应力循环也不会断裂，所以对这类材料常用107周次作为测定疲劳极限的基数。
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。
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，按下列公式计算疲劳极限：()11n R N i i i v m σσ==∑ 1式中m——有效试验总次数；n—应力水平级数；—第i级应力水平；—第i级应力水平下的试验次数。
iso 1143金属材料旋转弯曲疲劳试验方法
iso 1143金属材料旋转弯曲疲劳试验方法
ISO 1143是一项关于金属材料旋转弯曲疲劳试验方法的国际标准。
该标准的目的是确定金属材料在旋转弯曲载荷下的疲劳强度和寿命。
金属材料旋转弯曲疲劳试验是一种常用的测试方法，用于评估金属材料在不断施加旋转弯曲载荷下的耐久性能。
这种试验方法可以模拟材料在实际使用过程中受到的循环载荷，如摩擦、振动和机械应力等。
根据ISO 1143标准，进行金属材料旋转弯曲疲劳试验的基本步骤如下：
1. 根据试验要求，选择适合的试验设备和样品。
确保样品具有规定的几何形状和尺寸。
2. 在试验设备上安装好样品，并根据标准规定的试验频率和幅值施加旋转弯曲载荷。
载荷的施加应符合标准的要求，并确保载荷的稳定性和准确性。
3. 进行预先设定的试验循环数或持续时间。
循环数和持续时间的设定应根据材料的特性和试验要求确定。
4. 在试验过程中，记录样品的应变和载荷数据。
这些数据可以用于分析材料的疲劳性能和寿命。
5. 在试验完成后，对样品进行质量评估和疲劳寿命分析。
根据需要，可以对样品进行断口分析、金相观察和硬度测试等。
通过ISO 1143金属材料旋转弯曲疲劳试验方法的应用，我们可以评估金属材料在循环载荷下的耐久性能，并为设计和生产过程提供相关数据参考。
这可以帮助我们选择合适的材料，预测材料的使用寿命，优化产品设计，以及改进相关工艺和制造过程。
astm-e466-2015-《金属材料力控制轴向等幅疲劳试验标准规程》
astm e466-2015 《金属材料力控制轴向等幅疲劳试验标准规程》ASTM E466-2015《金属材料力控制轴向等幅疲劳试验标准规程》是一项重要的标准，用于评估金属材料的力控制轴向等幅疲劳性能。
本文将分为四个部分，依次介绍标准的背景及意义、试验方法及步骤、试验结果的分析、以及标准的应用前景。
第一部分：标准的背景及意义金属材料在工程实践中广泛应用，经常承受循环载荷。
然而，长期以来，金属材料在循环载荷下的疲劳寿命难以预测，很容易导致突然失效。
因此，疲劳试验是评估金属材料耐久性的关键步骤之一。
ASTM E466-2015标准的制定旨在提供一个统一的测试方法，以使各种金属材料的疲劳性能能够得到可靠准确的评估和比较。
该标准的意义主要体现在以下几个方面：1. 评估金属材料的疲劳寿命：ASTM E466-2015标准可帮助评估金属材料在特定载荷情况下的疲劳寿命。
通过该标准的试验方法，可以定量地确定金属材料在受力过程中的循环疲劳起始、增长和失效阶段，从而预测其它工况下的实际寿命。
2. 比较不同材料的疲劳性能：标准规定了一系列统一的试验参数和测量指标，使得各种不同材料之间的疲劳性能具有可比性。
这对于材料的筛选和选择具有重要意义，为设计和工程师提供了参考依据。
3. 改进材料设计和加工工艺：此标准提供了对金属材料在应力控制下的疲劳性能测试方法，对于理解材料行为和优化材料设计和加工工艺方案具有重要意义。
通过进行一系列的试验，并对试验结果进行分析，可以帮助科学家和工程师找到合适的材料和加工工艺，以增强材料的疲劳寿命和性能。
第二部分：试验方法及步骤ASTM E466-2015标准规定了一系列本质上等幅疲劳加载的试验方法。
下面将介绍其中一种常用方法（标准中还包含其他试验方法）。
1. 建立试样：根据试验要求，制备适当尺寸的试样。
通常采用矩形形状的试样，通过加工或切割砂轮等方式将试样制备成标准尺寸。
2. 布置应力传感器：根据试验要求，在试样上安装应力传感器。
第八章 金属疲劳试验
没有水平部分。铝合金、不锈钢、高强度钢。（条件疲劳强度）
（二）疲劳曲线及疲劳极限的测定
1、方法及特点：常用旋转弯曲疲劳试验。试验机结构简单、操作方便，应用广泛。
3、冲击疲劳的特点
试验表明，冲击疲劳抗力是一个取决于强度和塑性的综合性能，具有以下特点：
①冲击能量高时，材料的冲击疲劳抗力主要取决于塑性；冲击能量低时，材料的冲击疲劳抗力主要取决于强度。从此可以看出，不能仅根据工件承受冲击就要求高的冲击吸收功。
②不同的冲击能量要求不同的强度与塑性配合。淬火回火钢的冲击疲劳抗力随回火温度的变化有一峰值，该峰值随冲击能量的增加向高温方向移动（见图5-36）。
二、冲击疲劳
1、定义：是机件在重复冲击载荷作用下的疲劳断裂。
实际工作中，很少有仅经过一次或几次冲击就断裂的机件，即便是通常认为承受剧烈冲击载荷的机件，大多数是承受小能量的多次冲击才断裂。试验表明，当试样于破坏前承受的冲击次数较少时（500～1000次），试样断裂的原因与一次冲击相同；当冲击次数>105次时。破坏具有典型的疲劳断口，属于疲劳断裂，即为冲击疲劳。
3冲击韧度对冲击疲劳抗力的影响因材料的强度水平不同而异。
高强度钢和超高强度钢的塑性和冲击韧度对冲击疲劳抗力有较大影响。
（因其强度高、冲击韧度低，适当提高韧度对提高冲击疲劳抗力的影响较突出）
中、低强度钢的塑性和冲击韧度对冲击疲劳抗力的影响较小。
（因其冲击韧度已经比较高，在增加Ak值对提高冲击疲劳抗力已影响较不大）当我被上帝造出来时，上帝问我想在人间当一个怎样的人，我不假思索的说，我要做一个伟大的世人皆知的人。于是，我降临在了人间。
金属材料剪切疲劳试验
金属材料剪切疲劳试验是一种用于评估金属材料在反复荷载下的损伤行为的试验方法。
具体步骤如下：
样品制备：根据所需规格要求，从金属板材或圆杆中切割出样品，通常采用标准化的几何形状，如蝴蝶形、十字形等。
试验装置：将样品固定在试验台上，并将试验台通过连接杆与疲劳试验机连接起来。
荷载施加：先施加一定大小的预应力，然后通过加载系统在设定的频率下施加周期性荷载，如正弦波形。
变形和监测: 在试验过程中，记录荷载和外部应力，以及对样品相应的变形和裂纹扩展等特征进行观测和记录。
停止试验：当试验样品发生破坏或达到设定循环数时，停止试验并记录数据。
数据分析：根据试验结果进行数据分析。
常见的评估方式包括绘制应力-循环次数(N)曲线（即疲劳寿命曲线）、计算疲劳极限、疲劳裂纹扩展速率等。
通过金属材料剪切疲劳试验可以评估材料的抗疲劳性能，并为工程设计和使用提供重要参考价值。
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半无限宽边缘缺口试样
KI 1.12* a
有限宽度的中心开裂纹试样
f(a/W)
KI
a
W
a
tan
a
W
KI C *
a * f a
W
单边缺口试样 (SEN)
双边缺口试样（DEN）
SEN:
KI
a
* 1.122
0.231 a W
多疲劳源是有材料中的第二相或夹 杂引起的。
2.3 晶界开裂产生裂纹 多晶体材料由于晶界的存在和相
邻晶粒的不同取向性，位错在某一 晶粒内运动时会受到晶界的阻碍作 用，在晶界处发生位错塞积和应力 集中现象。在应力不断循环下晶界 处的应力集中得不到松弛时，应力 峰越来越高，当超过晶界强度时就 会在晶界处产生裂纹。
裂纹形核滑移 缺口或划伤
内部缺陷
4.影响疲劳强度的因素
工作条件
载荷条件（应力状态、应力比、过、次载情况、平均应力） 载荷频率 环境温度 环境介质
表面状态及尺寸因素
尺寸效应 表面粗糙度 缺口效应
表
材料因素
化学成分 组织结构 纤维方向 内部缺陷
（平面应变） （平面应力）
位移分量（平面应变状态）：
u
1 v E
KI
2r cos 1 2v sin 2
2
2
1 v E
KI
2r
sin
2
2(1
v)
cos
2
应变分量（平面应变状态）：
x
1 v
E 2r
KI
cos 1 2v sin
夹杂 晶界
3.裂纹扩展阶段
疲劳微裂纹萌生后即进入裂纹 扩展阶段，根据裂纹扩展方向，裂 纹扩展可分为两个阶段，第一阶段 时从个别侵入沟或挤出脊先行成微 裂纹，然后沿最大切应力方向向内 扩展，此时，如果微裂纹扩展到一 些相邻的晶粒颗粒时，由于邻近晶 粒的存在对滑位移的约束，扩展过 程中多数微裂纹成为不扩展裂纹。 只有个别微裂纹会扩展为2—5个晶 粒范围。第二阶段是裂纹垂直与加 载方向扩展，最后形成剪切唇为止。
并形成循环滑移带。随着加载循环次数的增加，循环滑移带不断地加宽，由 于位错的塞积和交割作用，会在滑移带处形成微裂纹。
循环滑移带生成和一个纯铜试样的裂纹 Sm=0，Sa=77.5MPa N=2×106
在裂纹的萌生期，疲劳是一种发生在材料表面的现象。
2.2 相界面开裂产生裂纹 在大量的疲劳失效分析中发现很
x
KI cos 1 sin sin 3
2r 2
2 2
应力分量： y
KI cos 3 1 sin sin 3 2r 2 2 2
xy
KI sin cos cos 3 2r 2 2 2
欧文（Irwin)
Z ( X Y ) Z 0
二、疲劳损伤过程及机理
1. 疲劳过程
循环 滑移
裂纹 形核
微观裂纹 扩展
宏观裂纹 扩展
最终 断裂
裂纹萌生阶段
裂纹亚稳扩展阶段 失稳扩展阶段
Kt 应力集中系数
K 应力强度因子
KIC 断裂韧性
2、疲劳裂纹萌生过程
2.1 滑移带开裂产生裂纹 金属在循环应力的作用下，即使其应力低于屈服应力，也会发生循环滑移
实验三、金属疲劳试验
一、实验目的：
1.了解金属轴向疲劳测试方法、断裂韧性Kic 测试方法及裂纹扩展速率DA/DN测试方法 。
2.了解疲劳试验机工作原理
1988年4月28日阿罗哈航空波音737-200型客机243号班机在飞行途中发生 爆裂性失压的事故，约头等舱部位的上半部外壳完全破损，机头与机身随时 有分离解体的危险，但10多分钟后奇迹地安全迫降。事件当时，一名机组人 员不幸被吸出机舱外死亡，而其余65名机组人员和乘客则分别受到轻重伤。
事故原因是由裂缝氧化导致金属疲劳引起
裂纹源
裂纹扩展区条纹
断裂区
裂纹扩展条纹
裂纹源
断裂区
928保时捷齿轮
齿轮断裂
曲轴断裂
自行车曲柄蜘蛛臂
疲劳裂纹源
2011年4月1日下午，美国西南航空公司一架波音737客机飞机中段过道上 方机身有一个1.8米长的破洞。所幸飞机成功迫降，安全专家表示，机身出现破 洞是金属疲劳现象引起的。
2
2
2
sin 3
2
y
1 v
E 2r
KI
cos 1 2v sin
2
2
2
sin
3
2
xy
2(1 v)K I
E 2r
sin
2
cos
2
cos 3
2
v 式中: ——泊松比
模量
E ——拉伸杨氏
θ= 0 则 ：
x y
KI 2r
xy 0
10.550 a W
2
21.710 a W
3
30.382 a W
4
0.5% accurate
for a/W < 0.6
DEN:
KI
0.5% accurate
for any a/W
1.122 1.122
a
0.820
一、引言
工程材料对循环变形和对波动载荷作用下的裂纹萌生与成长的敏感性 是许多工程应用中一个相当重要的课题。
疲劳通常指的是由于应力或应变的反复作用而引起材料性能发生变化 ，导致了开裂或失效。
有关工程材料疲劳的研究大约已经有160多年的历史。 据统计，疲劳破坏在整个失效件中占80%以上。 结构疲劳正作为一个重大的问题进行研究。
式中 KI 值的大小直接影响应力场的大小，KI 可以表示应力场的强弱程度故称为 应力场强度因子
当θ= 0 r→0 时 由上式可得：
KI
lim r 0
2r y 0
裂纹I型应力场强度系数的一般表达式：
KI Y a
Y——裂纹形状系数
-半无限边缘缺口试样 -有限宽度的中心开裂纹试样 -有限宽度的边缘缺口试样
金属的断裂韧度
金属的断裂韧度
一.线弹性条件下的金属断裂韧度
1.裂纹扩展的基本形式：
张开型（I型） 滑开型（II型） 撕开型（III型）
2.弹性应力场方程的推导
假设有无限大板，其中有2a长的I型 裂纹，在无限远处作用有均匀拉应力，应用 弹性力学何以分析裂纹尖端附近的应力场、 应变场。如用极坐标表示，则各点（r,θ)的 应力分量、应变分量和位移分量可以近似表 达为：