疲劳试验-大纲Word格式文档下载.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?