金属材料疲劳实验演示

17.1 实验目的

（1）了解金属材料的疲劳性质，测定某个应力等级下的疲劳寿命。

（2）了解常用疲劳试验机的工作原理和操作方法。

17.2 实验设备

高频疲劳试验机，INSTRON8802疲劳试验机。

17.3 实验概述

在不同的应力水平下材料具有不同的疲劳寿命。金属材料疲劳破坏是一种潜在的失效方式，在疲劳断裂时都不会产生明显的塑性变形，而断裂是突发的，没有预兆。构件上存在表面缺陷（缺口、沟槽），即使在名义应力不高的情况下，也会由于局部的应力集中而形成裂纹，随着加载循环的增加，裂纹不断扩展，直至断裂。

在交变应力的应力循环中，最小应力和最大应力的比值r＝σmin/max称为循环特征或应力比。在r一定的情况下，如试样的最大应力为某一值时，经过N次循环后，发生疲劳失效，则称N为此应力下的疲劳寿命。在同一循环特征下，最大应力越大。则寿命越短。测定了各级应力水平的疲劳寿命，就可以确定金属材料的疲劳寿命曲线，即S-N曲线（应力-寿命曲线），见图17.1。

图17.1 应力-寿命曲线

17.4 实验步骤

在每个应力水平下试验一个试样来测定S-N曲线时，至少需要10个试样。其中一个试样做静力试验，1～2个试样备用，其余7～8个试样做疲劳试验。

（1）静力试验

取一个试样测定材料的抗拉强度Rm，一方面检验材料是否符合要求，另一方面根据实测的抗拉强度Rm确定各级疲劳应力水平。

（2）确定应力比

如果试验目的是了解材料抗拉的疲劳性能，应力比一般取R＝0.1；如果试验目的是了解旋转构件材料的疲劳性能，应力比常取R＝﹣1。

（3）确定应力水平

应力水平至少分为7级；高应力水平间隔可适当增大，随着应力水平的降低间隔越来越小；最高应力水平可通过预试确定。(www.xing528.com)

（4）确定加载频率

一般根据试验机的可调频率范围来选择；在高应力水平下最好使用较低的频率，以免在调试过程中试样就发生破坏。

（5）安装试样

将试样安装到疲劳试验机上，注意试样要对中和安装牢固。

（6）观测记录

启动疲劳试验机，由高应力到低应力逐级进行试验，列表记录试样的破坏循环次数，并记录试验前后的各种异常现象以及断口部位等。

（7）测定条件疲劳极限

一般以破坏循环次数为107所对应的最大应力Smax作为条件疲劳极限。条件疲劳极限以符号Sr表示，Sr下标字母r表示应力比。

（8）绘制S-N曲线

根据各应力水平测得的疲劳寿命N，以应力S为纵坐标，1gN为横坐标，将数据点绘制在坐标系中，用曲线连接各点，即得到S-N曲线（图17.2）。

图17.2 实测S-N曲线

17.5 思考题

（1）什么是高周疲劳试验？什么是低周疲劳试验？两者有何区别？

（2）金属材料的疲劳试验断口与拉伸试验断口有何区别？

（3）疲劳裂纹的扩展与什么因素有关？