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?
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