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1、 页脚内容 金属疲劳试验 金属疲劳试验大纲 1 通过金属材料疲劳实验,测定金属材料的-1(107),绘制材料的 S-N曲线,并观察疲劳破坏现象和断口特征,进而学会对称循环下测定金属材料疲劳极限的方法.2 主要设备:纯弯曲疲劳试验机,游标卡尺;主要耗材:金属材料试样.(单点法需 8-10根试样,成组法至少需 20 根试样.)金属疲劳试验指导书 在足够大的交变应力作用下，于金属构件外形突变或表面刻痕或内部缺陷等部位，都可能因较大的应力集中引发微观裂纹。分散的微观裂纹经过集结沟通将形成宏观裂纹。已形成的宏观裂纹逐渐缓慢地扩展，构件横截面逐步削弱，当达到一定限度时，构件会突然断裂。金属因交变应力引起的
2、上述失效现象，称为金属的疲劳。静载下塑性性能很好的材料，当承受交变应力时，往往在应力低于屈服极限没有明显塑性变形的情况下，突然断裂。疲劳断口（见图 230）明显地分为两个区域：较为光滑的裂纹扩展区和较为粗糙的断裂区。裂纹形成后，交变应力使裂纹的两侧时而张开时而闭合，相互挤压反复研磨，光滑区就是这样形成的。载荷的间断和大小的变化，在光滑区留下多条裂纹前沿线。至于粗糙的断裂区，则是最后突然断裂形成的。统计数据表明，机械零件的失效，约有 70%左右是疲劳引起的，而且造成的事故大多数是灾难性的。因此，通过实验研究金属材料抗疲劳的性能是有实际意义的。页脚内容 疲劳裂纹扩展区断裂区疲劳源前沿线图-30 疲
3、劳试样断口示意图 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=maxmin（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1max，经历N1次循环后，发生疲劳失效，则 N1称为最大应力为1max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max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 231 所示。从图线看出
4、，当应力降到某一极限值r时，S-N曲线趋近于水平线。即应力不超过r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r。口特征进而学会对称循环下测定金属材料疲主要设备纯弯曲疲劳试验机游标卡尺主要耗材金属材料试样单点法劳极限的方法需根试样成组法至少需根试样金属疲劳试验指导书在足够大的交变应力作用下于金属构件外形突变或表面刻的宏观裂纹逐渐缓慢地扩展构件横截面逐削弱当达到一定限度时构件会突然断裂金属因交变应力引起的上述失效现象称为金属的疲劳静载
5、下塑性性能很好的材料当承受交变应力时往往在应力低于屈服极限没有明显塑性变形的情况下纹的两侧时而张开时而闭合相互挤压反复研磨光滑区就是这样形成的载荷的间断和大小的变化在光滑区留下多条裂纹前沿线至于粗糙的断裂区则是最后突然断裂形成的统计数据表明机械零件的失效约有左右是疲劳引起的而且造成的 页脚内容 而把 N0=107称为循环基数。有色金属的 S-N曲线在 N5108时往往仍未趋于水平,通常规定一个循环基数N0,例如取N0=108,把它对应的最大应力作为“条件”持久极限。曲线图-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max，并称之为疲劳强度。它有别于上
6、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-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。“梁”由高速电机 6 带动，在套筒 7 中高速旋转，于是试样横截面上任一点的弯曲正应力，皆为对称循环交变应力，若试样的最小直径为 dmin，最小截面边缘上一点的最大和最小应力为 ma
7、xIMd2min，min-IMd2min(2-17)式中 I=64d4min。试样每旋转一周，应力就完成一个循环。试样断裂后，套筒压迫停止开关使试验机自动停机。这时的循环次数可由计数器 8 中读出。口特征进而学会对称循环下测定金属材料疲主要设备纯弯曲疲劳试验机游标卡尺主要耗材金属材料试样单点法劳极限的方法需根试样成组法至少需根试样金属疲劳试验指导书在足够大的交变应力作用下于金属构件外形突变或表面刻的宏观裂纹逐渐缓慢地扩展构件横截面逐削弱当达到一定限度时构件会突然断裂金属因交变应力引起的上述失效现象称为金属的疲劳静载下塑性性能很好的材料当承受交变应力时往往在应力低于屈服极限没有明显塑性变形的情况
8、下纹的两侧时而张开时而闭合相互挤压反复研磨光滑区就是这样形成的载荷的间断和大小的变化在光滑区留下多条裂纹前沿线至于粗糙的断裂区则是最后突然断裂形成的统计数据表明机械零件的失效约有左右是疲劳引起的而且造成的 页脚内容 四实验方法 这里介绍的单点实验法的依据是标准 HB5152-80（第三机械工业部标准，金属室温旋转弯曲疲劳实验方法）。这种方法在试样数量受限制的情况下，可用以近似地测定 S-N 曲线和粗略地估计疲劳极限。更精确地确定材料抗疲劳的性能应采用升降法。单点实验法至少需 810 根试样，第一根试样的最大应力约为1（0.60.7）b，经 N1次循环后失效。继取另一试样使其最大应力2=(0.4
9、00.45)b，若其疲劳寿命 N107。这样，材料的持久极限-1在1与2之间。在1与2之间插入 45 个等差应力水平，它们分别为3456，逐级递减进行实验，相应的寿命分别为 N3N4N5N6。这就可能出现两种情况：（1）与6相应的 N6107，持久极限在2与6之间。这时取7=21(2+6)再试，若 N7107，且7-2小于控制精度（关于，将在下面说明），即7-2107,且6-7*,则-1为7与6的平均值,即-1=21(7+6)。（2）与6相应的 N6107，这时以6和5取代上述情况的2和6，用相同的方法确定持久极限。五试样的制备 同一批试样所用材料应为同一牌号和同一炉号，并要求质地均匀没有缺陷
10、。疲劳强度与试样取料部位锻压方向等有关，并受表面加工热处理等工艺条件的影响较大。因此，试样取样应避免在型材端部，对锻件要取在同一锻压方向或纤维延伸方向。同批试样热处理工艺相同。切削时应避免表面过热，引起较大残余应力。不能有周线方向的刀痕，试样的试验部位要磨削加工，粗糙度为 0.80.2。过渡部位应有足够的过渡圆角半径。圆弧形光滑小试样如图 2-34所示，其最小直径为 710mm，试样的其他外形尺寸，因疲劳试验机不同而异，没有统一规定。口特征进而学会对称循环下测定金属材料疲主要设备纯弯曲疲劳试验机游标卡尺主要耗材金属材料试样单点法劳极限的方法需根试样成组法至少需根试样金属疲劳试验指导书在足够大的
11、交变应力作用下于金属构件外形突变或表面刻的宏观裂纹逐渐缓慢地扩展构件横截面逐削弱当达到一定限度时构件会突然断裂金属因交变应力引起的上述失效现象称为金属的疲劳静载下塑性性能很好的材料当承受交变应力时往往在应力低于屈服极限没有明显塑性变形的情况下纹的两侧时而张开时而闭合相互挤压反复研磨光滑区就是这样形成的载荷的间断和大小的变化在光滑区留下多条裂纹前沿线至于粗糙的断裂区则是最后突然断裂形成的统计数据表明机械零件的失效约有左右是疲劳引起的而且造成的 页脚内容 mind=710mm110.80.2图2-34 圆弧型光滑试样 六实验步骤 以 M=21Pa 和 I=64mind代式（2-17），求得最小直径
12、截面上的最大弯曲正应为：=adPddaP166423min4minmin21 令 K=ad163min，则上式可改写成 P=K(2-18)K 称为加载乘数，它可根据试验机的尺寸 a 和试样的直径 dmin事先算出，并制成表格。在试样的应力确定后，便可计算出应施加的载荷 P。载荷中包括套筒砝码盘和加力架的重量 G，所以，应加砝码的重量实为 P=P-G=K-G(2-19)现将试验步骤简述如下：（1）测量试样最小直径 dmin；（2）计算或查出 K 值；（3）根据确定的应力水平，由式（2.19）计算应加砝码的重量 P;(4)将试样安装于套筒上，拧紧两根连接螺杆，使与试样成为一个整体；（5）连接挠性连
13、轴节；（6）加上砝码；（7）开机前托起砝码，在运转平稳后，迅速无冲击地加上砝码，并将计数器调零；（8）试样断裂或记下寿命 N，取下试样描绘疲劳破坏断口的特征。口特征进而学会对称循环下测定金属材料疲主要设备纯弯曲疲劳试验机游标卡尺主要耗材金属材料试样单点法劳极限的方法需根试样成组法至少需根试样金属疲劳试验指导书在足够大的交变应力作用下于金属构件外形突变或表面刻的宏观裂纹逐渐缓慢地扩展构件横截面逐削弱当达到一定限度时构件会突然断裂金属因交变应力引起的上述失效现象称为金属的疲劳静载下塑性性能很好的材料当承受交变应力时往往在应力低于屈服极限没有明显塑性变形的情况下纹的两侧时而张开时而闭合相互挤压反复研
14、磨光滑区就是这样形成的载荷的间断和大小的变化在光滑区留下多条裂纹前沿线至于粗糙的断裂区则是最后突然断裂形成的统计数据表明机械零件的失效约有左右是疲劳引起的而且造成的 页脚内容 实验时应注意的事项：（1）未装试样前禁止启动试验机，以免挠性连轴节甩出；（2）实验进行中如发现连接螺杆松动，应立即停机重新安装。七实验结果处理 1.下列情况实验数据无效：载荷过高致试样弯曲变形过大，造成中途停机；断口有明显夹渣致使寿命偏低。2.将所得实验数据列表；然后以 lgN 为横坐标，max为纵坐标，绘制光滑的S-N曲线，并确定-1的大致数值。3.报告中绘出破坏断口，指出其特征。口特征进而学会对称循环下测定金属材料疲主要设备纯弯曲疲劳试验机游标卡尺主要耗材金属材料试样单点法劳极限的方法需根试样成组法至少需根试样金属疲劳试验指导书在足够大的交变应力作用下于金属构件外形突变或表面刻的宏观裂纹逐渐缓慢地扩展构件横截面逐削弱当达到一定限度时构件会突然断裂金属因交变应力引起的上述失效现象称为金属的疲劳静载下塑性性能很好的材料当承受交变应力时往往在应力低于屈服极限没有明显塑性变形的情况下纹的两侧时而张开时而闭合相互挤压反复研磨光滑区就是这样形成的载荷的间断和大小的变化在光滑区留下多条裂纹前沿线至于粗糙的断裂区则是最后突然断裂形成的统计数据表明机械零件的失效约有左右是疲劳引起的而且造成的