疲劳试验法.pdfVIP

5.5 金属疲劳 在工程实际中，许多零部件如轴、齿轮、轴承、叶片等，承受随时间周期性变化的载荷作用， 这种随时间周期性变化的载荷称为交变载荷，对应的应力称为交变应力。在交变应力作用下，零部 件的破坏形式与静载荷不同，破坏时的工作应力比静荷作用下强度小得多。承受交变应力的零部件， 经过较长时间运行而发生失效的现象称为疲劳。 疲劳破坏是机械零部件早期失效的主要形式。据统计，约有 80% 以上的零部件失效是由疲劳引 起的，无论是脆性或韧性的材料，在疲劳断裂时都不产生明显的塑性变形，断裂是突然发生的，这 种特点是由疲劳破坏的机理决定的。实践证明，疲劳断裂是由裂纹的萌生、扩展、直至最终断裂 3 个阶段。当工作应力超过疲劳极限 σR 时，由于循环应力的反复交变，构件上的应力最大处往往是应 力集中，首先形成微裂纹，随着循环次数的增加，裂纹逐渐扩展，构件的承载面积也随之逐渐减少， 当裂纹面上的应力达到材料的断裂强度时，构件就突然断裂。 根据实验应力的大小、破断时应力（应变）循环次数的高低，可分为高周疲劳实验和低周疲劳 4 4 实验。一般来说，失效循环次数大于 5 ×10 的称为高周疲劳实验，而小于 5 ×10 的称为低周疲劳实 验，也称应变疲劳实验。 一．实验目的 1．分别测定低碳钢材料疲劳极限σ 和 S-N 曲线的方法； -1 2 ．了解旋转弯曲疲劳试验机的构造原理和使用方法； 3 ．观察疲劳断口的特征，分析导致疲劳破坏的主要原因。 二．实验原理 工程上处理疲劳数据的基本方法是绘制 S-N 曲线。即表示应力S 与断裂时应力循环次数 N 之间 关系的曲线。绘制 S-N 曲线时，一般以应力值 σ 或最大应力 σ 为纵坐标，断裂前的循环次数N （疲 0 max σ 劳寿命）为横坐标（N 均采用对数坐标）。实验表明当循环特性R = min 一定时，应力 σ与N 有完 σ max 全的对应关系，即：材料承受的最大循环应力愈大，则断裂时的循环次数（N）愈小，而且当 σ低于 某极限值时，其 S-N 曲线趋于水平线，该极限应力即称为疲劳极限或持久极限（R 为应力循环对称 7 系数），对于对称循环，R=-1 ，故疲劳极限用 σ-1 表示。例如，对钢材做疲劳实验一般要进行 1×10 8 次数而不失效的最大应力为疲劳极限；而有色金属要求达 5 ×10 次数。对于大部分有色金属，如铝、 镁及铜合金等，其 S-N 曲线随循环次数的增加而逐渐向下倾斜。由于 S-N 曲线不呈水平线，这些材 料没有真正的疲劳极限。在这种情况下，普遍作法是给出规定循环次数（如 108 ）下的疲劳强度以表 征材料的疲劳性能。 C D 对于同种材料，对称循环疲劳极限 σ-1 为最低。用 A B a L a σ-1 作为疲劳强度设计的依据将偏于安全，故 S-N曲线 常在弯曲对称循环条件下测定。 金属弯曲疲劳实验是一种常用的高周疲劳实验方 法，试件在旋转状态下受一弯曲应力，因为