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材料在變動載荷下的力學性能

 

4.1 概述

工程中很多機件和構件都是在變動載荷下工作，如曲軸、連桿、齒輪、彈簧、輥子、葉片及橋梁等，其失效形式主要是疲勞斷裂。

 

疲勞是指機件和構件在服役過程中，由于承受變動載荷而導致裂紋萌生和擴展以致斷裂失效的全過程。變動載荷是引起疲勞破壞的外力，是指載荷大小甚至方向均隨時間變化的載荷，其在單位面積上的平均值為變動應力。變動應力分為循環應力和無規則隨機變動應力。循環應力的波形有正弦波、矩形波和三角形波等。

疲勞的特點：疲勞是具有壽命的斷裂，其斷裂應力水平往往低于材料抗拉強度，甚至低于屈服強度；疲勞是脆性斷裂（突發性）；對缺陷（缺口、裂紋及組織缺陷）十分敏感。

 

在載荷下進行試驗以提供材料或零部件的某種疲勞數據的試驗稱為疲勞試驗。疲勞試驗按失效循環次數可分為高周疲勞試驗和低周疲勞試驗。高周疲勞試驗以應力為基本控制參數，低周疲勞試驗以應變為基本控制參數。疲勞試驗按載荷和環境可分為室溫疲勞試驗、高溫疲勞試驗、低溫疲勞試驗、熱疲勞試驗、腐蝕疲勞試驗、接觸疲勞試驗和沖擊疲勞試驗。

 

4.2 疲勞斷口

疲勞斷裂經歷了裂紋萌生和擴展過程。由于應力水平較低，因此具有較明顯的裂紋萌生和穩態擴展階段，疲勞斷裂的宏觀斷口一般由三個區域組成，即疲勞裂紋產生區（裂紋源）、裂紋擴展區和最后斷裂區。

 

 

疲勞裂紋擴展速率曲線
 

I區：裂紋初始擴展階段，10^-8~10^-6mm/周次，快速提高，但△K變化范圍很小所以提高有限；

II區：裂紋擴展主要階段，10-5~10-2mm/周次，da/dN~△K呈冪函數關系，△K變化范圍很大，擴展壽命長。

Ⅲ區：裂紋擴展最后階段，da/dN很大，并隨△K增加而很快地增大，只需擴展很少周次即會導致材料失穩斷裂。

疲勞源

該區最光亮（該斷面經多次摩擦擠壓）；裂紋源位于裂紋擴展區的貝紋弧線凹向一側的焦點位置；可以有一個或者多個（與應力狀態有關）；對于多個裂紋源，一般源區越亮、裂紋擴展區越大、貝紋線越密，則該裂紋源越早產生。

 

疲勞區

是裂紋亞穩擴展形成的區域；斷口比較光滑并分布有貝紋線（或海灘花樣），有時還有裂紋擴展臺階；貝紋線是載荷變動引起的，貝紋線是一簇以裂紋源為圓心的平行弧線，近源處則貝紋線距越密，遠離源處則貝紋線距越疏。

 

瞬斷區

是裂紋失穩擴展形成的區域；該斷口區比疲勞區粗糙，與靜載的斷口相似（脆性材料斷口呈結晶狀，韌性材料斷口在心部平面應變區呈放射狀或人字紋狀，邊緣平面應力區則有剪切唇區存在）；位置一般處于裂紋源的對側；區域大小與材料承受名義應力及材料性質有關，高名義應力或低韌性材料，最后斷裂區大，反之，最后斷裂區小。

 

4.3 疲勞曲線與疲勞極限

疲勞曲線是疲勞應力與疲勞壽命的關系曲線，即S-N曲線，用于確定疲勞極限、建立疲勞應力判據的基礎。

       

 

典型的金屬材料疲勞曲線

疲勞極限指材料抵抗無限次應力循環而不斷裂的強度指標。條件疲勞極限指材料抵抗有限次應力循環而不斷裂的強度指標。二者統稱為疲勞強度。

 

對稱循環載荷是一種常規載荷，有對稱彎曲、對稱扭轉及對稱拉壓等。其對應的疲勞極限稱為σ_－1、τ_－1、σ_－1p。其中σ_－1是最常用的對稱循環疲勞極限。

抗拉強度越大，疲勞極限越大。

鋼的疲勞極限σ_－1與抗拉強度σ_b的關系

 

4.4 疲勞試驗方法

金屬材料疲勞極限試驗，是通過模擬結構或部件的實際工作情況，在試驗室內測定材料的疲勞曲線，用以估計結構或部件的疲勞特性。

一般該類試驗周期較長，所需設備比較復雜，但是由于一般的力學試驗如靜力拉伸、硬度和沖擊試驗，都不能夠提供材料在反復交變載荷作用下的性能，因此對于重要的零構件進行疲勞試驗是必須的。

常用試驗方法及其特點

 

單點疲勞試驗法

單點疲勞試驗法適用于金屬材料構件在室溫、高溫或腐蝕空氣中旋轉彎曲載荷條件下服役的情況。

試驗設備：彎曲疲勞試驗機、抗壓試驗機。

試樣要求：（1）試樣數量為8 ~ 10根；試樣尺寸要求最小截面直徑d一般取6，7.8，9mm，偏差小于0.005d。

試樣形狀示意圖

試驗步驟：（1）安裝試樣；（2施加載荷P（一般是根據材料的抗拉強計算出應該施加的載荷大小P），第1根試樣的最大應力約為σ₁=（0.6 ~0.7）σ_b；(3)試樣斷裂后記下壽命N1，取下試樣描繪疲勞斷口的特征；(4)取另一試樣使其最大應力σ₂=（0.40 ~0.45）σ_b，重復步驟①到③測得疲勞壽命N₂，若N₂＜10⁷次，則應降低應力再重復步驟①到③，直至N₂＞ 10⁷次；(5)在σ₁與σ₂之間插入4個等差應力水平，分別為σ₃，σ₄，σ₅，σ₆，逐級遞減進行以上試驗，相應的壽命分別為N₃，N₄，N₅，N₆。

數據處理：當N₆＜10⁷次，疲勞極限在σ₂與σ₆之間，這時取σ₇=1/2（σ₂+σ₆）再進行試驗；當N₆＞10⁷次，取σ₇=1/2（σ₅+σ₆）再進行試驗。

 

升降法疲勞試驗

升降法疲勞試驗主要用于測定中、長壽命區材料或結構疲勞強度的隨機特性。在常規疲勞試驗方法測定疲勞強度的基礎上或在指定壽命的材料或結構的疲勞強度無法通過試驗直接測定的情況下，一般采用升降法疲勞試驗間接測定疲勞強度。

試驗設備：抗壓疲勞試驗機。

試樣形狀示意圖

（試樣數量：約16根）

 

升降法示意圖

試驗方法：（1）試驗從高于疲勞強度的應力水平開始，然后逐級降低（如疲勞強度未知，可選用材料的靜態拉伸屈服強度R_p0.2或R_eL）；（2）在應力水平下進行第一根試驗，如果在指定壽命N=10⁷次之前發生破壞，則下一根試樣就要在低一級的應力水平下進行，反之，則要在高一級的應力水平下進行，直至完成全部試樣；（3）各級應力水平之差叫做“應力增量”，在整個試驗過程中，應力增量應保持不變。

試樣步驟：（1）安裝試樣；（2）參數設置，在電腦界面設置試驗參數，如動載荷、頻率、循環次數、試樣工作部分的直徑和橫截面積等；（3）施加載荷，所施加的動載荷一般為對稱循環應力，波形為正弦波；（4）終止試驗，試樣在規定循環應力下，通常一直連續試驗至試樣失效或規定循環次數。

數據處理：將出現第一對相反結果以前的數據舍棄；以V_i表示在第i級應以水平σ_i下進行的試驗次數，n表示有效試驗總次數，m表示升降應力水平的級數。

 

高頻振動疲勞試驗法

高頻振動試驗利用試驗器材產生含有循環載荷頻率為1000Hz左右特性的交變慣性力作用于疲勞試樣上，可以滿足在高頻、低幅、高循環環境條件下服役金屬材料的疲勞性能研究。高頻振動試驗主要用于軍民機械工程的需要。

 

高頻振動試驗裝置示意圖

試樣要求：試樣形狀同單點疲勞試樣相同；試樣材料一般選用高強度鋼。

試驗步驟：（1）安裝試樣；（2）安裝控制與測量的加速度傳感器，并進行500~2000Hz的正弦掃頻試驗，根據掃頻結果選取試驗頻率；（3）以選取的試驗頻率、控制加速度進行正弦高頻振動環境疲勞試驗，調整試驗應力水平為σ=ma/S。（m為配重質量，a為配重的加速度，S為試樣橫截面積）

數據處理：將獲得的試驗數據以試驗應力σ為縱坐標，以疲勞壽命的對數lgN為橫坐標，由如下公式按照最小二乘法擬合直線的原理，使各數據點到直線的水平距離的平方和為最小：lgN=a+b(σ-σ₀)。

 

超聲波疲勞試驗

超聲法疲勞試驗是一種加速共振式的疲勞試驗方法，其測試頻率（20kHz）遠遠超過常規疲勞測試頻率（小于200Hz）。超聲法疲勞試驗一般用于超高周疲勞試驗，主要針對10⁹以上周次疲勞試驗。

試驗裝置主要包括：（1）超聲頻率發生器（將超聲正弦波電信號由50Hz轉變為20kHz）；（2）壓力陶瓷換能器（將電源提供的電信號轉化成機械振動信號）；（3）位移放大器（放大位移振幅使試樣獲得所需的應變振幅）。試驗裝置原理：由壓電陶瓷換能器、位移放大器和試樣組成的超聲疲勞試驗機構成了一個力學振動系統，試樣的加載是由外加信號激勵試樣發生諧振，在試樣中產生諧振波來實現。

超聲法疲勞試驗裝置示意圖

 

試樣分為拉壓試樣和三點彎曲試樣。

 

 

試樣示意圖

 

試驗步驟：（1）對試樣進行測量校準；（2）安裝試樣，對稱拉壓試驗中，試樣的一端固定放大器末端，另一端自由，非對稱拉壓試驗中，試樣兩端分別固定在兩個放大器；（3）對所加載荷和試驗頻率進行參數設置；（4）開始試驗，并記錄數據。

數據處理：試驗數據用Basquin方程描述：σ_a=σ_f ^’(2N_f)^bλ。其中σ_a表示應力幅，σ_f表示應表示疲勞強度系數，N_f表示試驗所得疲勞壽命，以 N_f為橫坐標，以σ_a為縱坐標繪制超聲疲勞S-N曲線。

 

4.5 相關標準

 

來源：材易通