金屬疲勞試驗方法.doc

金屬疲勞試驗金屬疲勞試驗大綱1通過金屬材料疲勞實驗,測定金屬材料的-1(107),繪制材料的S-N曲線,并觀察疲勞破壞現(xiàn)象和斷口特征,進(jìn)而學(xué)會對稱循環(huán)下測定金屬材料疲勞極限的方法.2主要設(shè)備:純彎曲疲勞試驗機,游標(biāo)卡尺;主要耗材:金屬材料試樣.(單點法需8-10根試樣,成組法至少需20根試樣.)金屬疲勞試驗指導(dǎo)書在足夠大的交變應(yīng)力作用下，于金屬構(gòu)件外形突變或表面刻痕或內(nèi)部缺陷等部位，都可能因較大的應(yīng)力集中引發(fā)微觀裂紋。分散的微觀裂紋經(jīng)過集結(jié)溝通將形成宏觀裂紋。已形成的宏觀裂紋逐漸緩慢地擴(kuò)展，構(gòu)件橫截面逐步削弱，當(dāng)達(dá)到一定限度時，構(gòu)件會突然斷裂。金屬因交變應(yīng)力引起的上述失效現(xiàn)象，稱為金屬的疲勞。靜載下塑性性能很好的材料，當(dāng)承受交變應(yīng)力時，往往在應(yīng)力低于屈服極限沒有明顯塑性變形的情況下，突然斷裂。疲勞斷口（見圖230）明顯地分為兩個區(qū)域：較為光滑的裂紋擴(kuò)展區(qū)和較為粗糙的斷裂區(qū)。裂紋形成后，交變應(yīng)力使裂紋的兩側(cè)時而張開時而閉合，相互擠壓反復(fù)研磨，光滑區(qū)就是這樣形成的。載荷的間斷和大小的變化，在光滑區(qū)留下多條裂紋前沿線。至于粗糙的斷裂區(qū)，則是最后突然斷裂形成的。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，機械零件的失效，約有70%左右是疲勞引起的，而且造成的事故大多數(shù)是災(zāi)難性的。因此，通過實驗研究金屬材料抗疲勞的性能是有實際意義的。一實驗?zāi)康?. 觀察疲勞失效現(xiàn)象和斷口特征。2. 了解測定材料疲勞極限的方法。二、實驗設(shè)備1. 疲勞試驗機。2. 游標(biāo)卡尺。三實驗原理及方法在交變應(yīng)力的應(yīng)力循環(huán)中，最小應(yīng)力和最大應(yīng)力的比值 r= （2-16）稱為循環(huán)特征或應(yīng)力比。在既定的r下，若試樣的最大應(yīng)力為，經(jīng)歷N1次循環(huán)后，發(fā)生疲勞失效，則N1稱為最大應(yīng)力為時的疲勞壽命（簡稱壽命）。實驗表明，在同一循環(huán)特征下，最大應(yīng)力越大，則壽命越短；隨著最大應(yīng)力的降低，壽命迅速增加。表示最大應(yīng)力max與壽命N的關(guān)系曲線稱為應(yīng)力-壽命曲線或S-N曲線。碳鋼的S-N曲線如圖231所示。從圖線看出，當(dāng)應(yīng)力降到某一極限值r時，S-N曲線趨近于水平線。即應(yīng)力不超過r時，壽命N可無限增大。稱為疲勞極限或持久極限。下標(biāo)r表示循環(huán)特征。實驗表明，黑色金屬試樣如經(jīng)歷107次循環(huán)仍未失效，則再增加循環(huán)次數(shù)一般也不會失效。故可把107次循環(huán)下仍未失效的最大應(yīng)力作為持久極限r(nóng)。而把N0=107稱為循環(huán)基數(shù)。有色金屬的S-N曲線在N5108時往往仍未趨于水平,通常規(guī)定一個循環(huán)基數(shù)N0,例如取N0=108,把它對應(yīng)的最大應(yīng)力作為“條件”持久極限。工程問題中，有時根據(jù)零件壽命的要求，在規(guī)定的某一循環(huán)次數(shù)下，測出max，并稱之為疲勞強度。它有別于上面定義的疲勞極限。用旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞實驗來測定對稱循環(huán)的疲勞極限-1.設(shè)備簡單最常使用。各類旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗機大同小異，圖2-32為這類試驗機的原理示意圖。試樣1的兩端裝入左右兩個心軸2后，旋緊左右兩根螺桿3。使試樣與兩個心軸組成一個承受彎曲的“整體梁”上，它支承于兩端的滾珠軸承4上。載荷P通過加力架作用于“梁”上，其受力簡圖及彎矩圖如圖2-33所示。梁的中段（試樣）為純彎曲，且彎矩為M=P?！傲骸庇筛咚匐姍C6帶動，在套筒7中高速旋轉(zhuǎn)，于是試樣橫截面上任一點的彎曲正應(yīng)力，皆為對稱循環(huán)交變應(yīng)力，若試樣的最小直徑為dmin，最小截面邊緣上一點的最大和最小應(yīng)力為， - (2-17)式中I=d。試樣每旋轉(zhuǎn)一周，應(yīng)力就完成一個循環(huán)。試樣斷裂后，套筒壓迫停止開關(guān)使試驗機自動停機。這時的循環(huán)次數(shù)可由計數(shù)器8中讀出。四實驗方法這里介紹的單點實驗法的依據(jù)是標(biāo)準(zhǔn)HB5152-80（第三機械工業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)，金屬室溫旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞實驗方法）。這種方法在試樣數(shù)量受限制的情況下，可用以近似地測定S-N 曲線和粗略地估計疲勞極限。更精確地確定材料抗疲勞的性能應(yīng)采用升降法。單點實驗法至少需810根試樣，第一根試樣的最大應(yīng)力約為1（0.60.7）b，經(jīng)N1次循環(huán)后失效。繼取另一試樣使其最大應(yīng)力2=(0.400.45) b，若其疲勞壽命N107。這樣，材料的持久極限-1在1與2之間。在1與2之間插入45個等差應(yīng)力水平，它們分別為3456，逐級遞減進(jìn)行實驗，相應(yīng)的壽命分別為N3N4N5N6。這就可能出現(xiàn)兩種情況：（1）與6相應(yīng)的N6107，持久極限在2與6之間。這時取7=(2+6 )再試，若N7107，且7-2小于控制精度（關(guān)于，將在下面說明），即7-2107,且6-7*,則-1為7與6的平均值,即-1=(7+6)。（2）與6相應(yīng)的N6107，這時以6和5取代上述情況的2和6，用相同的方法確定持久極限。五試樣的制備同一批試樣所用材料應(yīng)為同一牌號和同一爐號，并要求質(zhì)地均勻沒有缺陷。疲勞強度與試樣取料部位鍛壓方向等有關(guān)，并受表面加工熱處理等工藝條件的影響較大。因此，試樣取樣應(yīng)避免在型材端部，對鍛件要取在同一鍛壓方向或纖維延伸方向。同批試樣熱處理工藝相同。切削時應(yīng)避免表面過熱，引起較大殘余應(yīng)力。不能有周線方向的刀痕，試樣的試驗部位要磨削加工，粗糙度為0.80.2。過渡部位應(yīng)有足夠的過渡圓角半徑。圓弧形光滑小試樣如圖2-34所示，其最小直徑為710mm，試樣的其他外形尺寸，因疲勞試驗機不同而異，沒有統(tǒng)一規(guī)定。六實驗步驟以M=Pa和I=代式（2-17），求得最小直徑截面上的最大彎曲正應(yīng)為： = 令K=，則上式可改寫成P=K (2-18)K稱為加載乘數(shù)，它可根據(jù)試驗機的尺寸a和試樣的直徑dmin事先算出，并制成表格。在試樣的應(yīng)力確定后，便可計算出應(yīng)施加的載荷P。載荷中包括套筒砝碼盤和加力架的重量G，所以，應(yīng)加砝碼的重量實為P=P-G=K-G (2-19)現(xiàn)將試驗步驟簡述如下：（1）測量試樣最小直徑dmin；（2）計算或查出K值；（3）根據(jù)確定的應(yīng)力水平，由式（2.19）計算應(yīng)加砝碼的重量P;(4)將試樣安裝于套筒上，擰緊兩根連接螺桿，使與試樣成為一個整體；（5）連接撓性連軸節(jié)；（6）加上砝碼；（7）開機前托起砝碼，在運轉(zhuǎn)平穩(wěn)后，迅速無沖擊地加上砝碼，并將計數(shù)器調(diào)零；（8）試樣斷裂或記下壽命N，取下試樣描繪疲勞破壞斷口的特征。實驗時應(yīng)注意的事項：（1）未裝試樣前禁止啟動試驗機，以免撓性連軸節(jié)甩出；（2）實驗進(jìn)行中如發(fā)現(xiàn)連接螺桿松動，應(yīng)立即停機重