疲劳试验
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
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σ
max 或应力振幅σ
α
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σ
R 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σ
R(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。
例如某试验过程如图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:
()1
(3392538243721362)380(MPa) 13
R N
σ=⨯+⨯+⨯+⨯=
图2 增减法测定疲劳极限试验过程
()
R N σ()
R N σ这样求得的,存活率为50%,欲要求其他存活率的,可用数理统计方法处理。
(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。
三、疲劳实验机及疲劳试样
1. 疲劳实验机
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,机械传动类中又有重力加载、曲柄连杆加载、飞轮惯性、机械振动等形式,以下简述几种常用的疲劳试验机。
(1)旋转弯曲疲劳试验机
这种试验机的历史最悠久、积累数据最多,是一种迄今仍在广泛应用的疲劳试验机设备,是从模拟轴类工作条件发展起来的。图4示出了旋转弯曲疲劳试验机外形图,试样1与左、右弹簧夹头连成一个整体作为转梁。用左、右两队滚动轴承四点支承在一对转筒2内,电动机3通过计数器5、活动联轴节4带
动试样在转筒内转动,加载砝码通过吊杆7
和横梁6作用在转筒2上,从而使试样承受一个恒弯矩。吊重不动,试样转动,则试样截面上承受对称循环弯曲应力。当试样疲劳断裂时,转筒2落下触动停车开关,计数器记
下循环断裂周次N,这样的试验机转速一般
在3000~10000次/min。图中8为加载卸载手轮。
(2)电磁谐振疲劳试验机
瑞士Amsler高频疲劳试验机是一个由试样3、弹性测力计4、调节固有频率的质量块1、电磁振荡器14、预加载弹簧5以及重大的起反作用的质量块2组成的振动体系,整个体系放在四个隔振块7上,如图5所示,这个体系有一个固有振动频率,微小的振动就使小电磁铁13得到一个与固有频率同相位的电势信号通入放大器15,经过功率放大,得到强大的电流通入电磁振荡器14,使试样以系统固有频率经受循环载荷。弹性测力计4的弹性外壳与中心自由悬垂不受力的杆17在系统受力过程中发生位移差而使带着小镜子16的杆转动,小镜子16上接收来自线光源在转动中
发生偏转,偏转反映在透明标尺9上,指示试样所受的力的大小及范围。
图5 Amsler 高频疲劳试验机
调节光电管11及光阑10位置,形成载荷信号反馈到放大器15,修正通入振荡器的电流值,从而修正试样所受载荷大小。质量块1是由
几个圆盘组成的,可通过增减圆盘改变质量以调节固有频率,改变试样尺寸也可调节固有频率,频率范围为60~300 Hz。通过调节丝杠6和弹簧5可施加静载荷,欲得到任意不对称的循环载荷。这样的机器现在应用很广泛,可用之做轴向加载和弯曲加载的试验以及裂纹扩展方面的试验。机器装有载荷保护装置,当载荷过大、过小超过规定范围时,自动停车。