第三章疲劳试验设计与数据处理教材

•第三章疲劳试验方法及其数据处理•第一节疲劳试验与疲劳试验机的发展•一、疲劳试验机发展•1、50年设计了旋转弯曲疲劳试验机，用于研究各种轴类零件的疲劳试验。•2、50年代研制出了闭环控制的电液伺服疲劳试验机。•3、60年代大规模集成电路的出现，制造了能够模拟零件或构件服役载荷工况的随机疲劳试验机。•4、70年代使用计算机控制的电液伺服疲劳试验机进行随机疲劳试验。•5、90年代后期，人们发现材料的疲劳现象与循环应力作用的频率无关，或者说应力循环频率对疲劳影响很小。人们设计了高频疲劳试验机和超声波疲劳试验机。•6、现阶段用的试验机：MTS,动静疲劳试验机，旋转弯曲疲劳试验机、高频疲劳试验机、超声波疲劳试验机等。四柱式动静液压伺服疲劳试验机高频疲劳试验机•二、疲劳试验机的工作原理•（1）动静液压伺服疲劳试验机•组成：油源（液压泵）伺服阀作动器（液压油缸）传感器（压力、位移）试件。•工业控制计算机：（1）伺服阀的控制，产生疲劳试验载荷；（2）压力传感器信号采集及其处理；（3）位移传感器信号采集及其处理；（4）油源的开启停止等控制。•工作主机---主机框架，安装作动器和安装试件。•试验机技术指标：•最大动态试验力±500KN•试验频率0.01~20Hz•试验波形正弦波、方波、三角波、斜波、程序块。•夹头之间距离不小于1000mm•立柱间距尺寸930×930mm•工作台1500×1500mm•2、高频疲劳试验机•工作原理：采用电磁激励，使试件（弹簧）共振原理。m1m0振荡系统质量m1逆质量m0试件的弹性变形其他弹性质量工作台m0砝码质量m0•（1）机器的谐振频率是以试样的刚性和砝码质量m1的大小改变来决定。•（2）砝码质量分为8级，可改变砝码质量来调节频率。•（3）松开砝码螺丝，电磁激活产生共振而运行。•（4）当激振器产生的激振力的频率和相位与振荡系统的固有频率一致时，系统便发生共振，这时配置质量在共振状态下产生的惯性力往复作用在试样上，来完成对试样的疲劳试验。•三、单轴和多轴疲劳试验•单纯从所受应力状态来分析，则疲劳大体上可分为单轴和多轴疲劳。•单轴疲劳——是指材料或零件在单向循环载荷作用下所产生的失效现象。零件只受单向正应力（应变）或单向切应力（应变），如只承受单向拉—压循环应力，弯曲应力或扭转循环应力。•多轴疲劳——是指多向应力或应变作用下的疲劳，也称为复合疲劳。多轴疲劳损伤发生在多轴循环加载条件下，加载过程中有两个或三个应力（或应变）分量独立地随时间发生周期性变化，应力分量可以是同相位的，按比例的，也可以是非同相的、非比例的。•各种压力容器、航天飞行器、核电站、交通运输工具中的一些重要零件通常是承受复杂的多轴比例与多轴非比例交互循环载荷的作用。•早期处理复杂应力状态下的多轴疲劳问题时，将多轴问题利用静强度理论等效成单轴状态，然后利用单轴疲劳理论处理复杂的多轴疲劳问题，这种的处理方法在处理比例加载下的多轴疲劳问题是有效的。但实际工程结构和设备的重要结构零部件，很多是在非比例多轴加载作用下服役。•第二节疲劳及其分类•一、疲劳概念•材料和机械零部件在交变应力作用下，在应力远远低于材料的屈服强度σs的若干个循环下发展的突然断裂现象。•由于疲劳结果存在很大的分散性，因此在疲劳试验中要采用数理统计学的方法处理数据及合理安排试验程序。•研究指出：疲劳裂纹形成寿命存在很大的分散性，而疲劳裂纹的扩展寿命分散性较少。•二、疲劳的分类•（1）按研究对象可以分为材料疲劳和结构疲劳；•材料疲劳---研究材料的S—N曲线、失效机理和化学成分、微观组织对疲劳强度的影响。•结构疲劳---以零部件、接头以至整机为研究对象。研究他们的疲劳性能，抗疲劳设计方法，寿命评估方法和疲劳试验方法，形状、尺寸和工艺因素的影响，以及提高疲劳强度方法。•（2）按失效周次可以分为高周和低周疲劳•高周疲劳---材料在低于其屈服强度σs的循环应力作用，经过104~105以上循环产生的失效。•低周疲劳---材料在接近或超过屈服强度σs的应力作用下，低于104~105次塑性应变循环产生的失效。•两者的主要区别在于塑性应变的程度不同，高周一般应力低，材料处于弹性范围，而低周疲劳产生较大塑性变形，以应变为参数。•（3）按应力状态可以分为单轴疲劳和多轴疲劳；•单轴疲劳------单向正应力或单向切应力。例如：单向拉—压疲劳，弯曲疲劳或扭转循环应力。•多轴疲劳------多向应力作用下疲劳（复合疲劳）。例如：弯扭复合疲劳，双轴拉伸疲劳，三轴应力，拉伸—内压疲劳，缺口处的应力状态也往往是多轴疲劳。•（4）按载荷变化情况可以分为恒幅疲劳、变幅疲劳和随机疲劳；•恒幅疲劳---载荷中，所有峰值载荷相等和所有谷值载荷相等的。•变幅疲劳---所有峰值载荷不等和所有谷值载荷不等，或两者均不相等的载荷。•随机疲劳---疲劳载荷中，峰值载荷和谷值载荷及其序列是随机出现谱载荷。幅值和频率都是随机变化的，而是不确定的。•（5）按载荷工况和工作环境分为常规疲劳、高低温疲劳、腐蚀疲劳、接触疲劳、微动磨损疲劳和冲击疲劳。第三节疲劳试样及其制备•一、典型材料疲劳试样：光滑试样、缺口试样、低周疲劳试样和疲劳扩展试样。•光滑试样、缺口试样----用于测试高周疲劳裂纹形成寿命。•低周疲劳试样----在高应力水平下通过对循环应变控制承受载荷，测试低周疲劳裂纹形成。•疲劳扩展试样----用于测试裂纹扩展寿命。•二、应力集中对疲劳强度影响极大，是各种影响因素中起主要作用的因素。实际构件或多或少存在应力集中，目前对高周疲劳广泛地采用缺口试样进行疲劳试验，以模拟实际构件的应力集中状态。•三、疲劳试样组成试验段、夹持部分及二者之间的过渡部分。•四、试样制备应主要的问题•（1）切去毛坯时，要注明取材的部位，并按一定位置顺序标号。•（2）对试样进行机械加工时，需要防止表面的冷作或过热，同时保证同心度，避免试验段横截面偏心。•（3）对试样热处理工序的安排，根据热处理的目的而定。•（4）对抛光后的试样的试验段进行尺寸测量时，应当注意不要使试样表面受到划伤。•（5）对已制备好的试样应当进行表面质量的检验，甚至需要内部质量的检验。如X探伤等。•五、各种疲劳试样•1、光滑试样有四种：轴向加载试样（圆试样和光滑板试样）、平面弯曲试样、旋转弯曲试样和扭转试样。轴向加载光滑圆试样和光滑板试样悬臂式平面弯曲疲劳试样（多危险截面）悬臂式旋转弯曲疲劳试样（多危险截面）悬臂式旋转弯曲疲劳试样（单危险截面）纯弯式旋转弯曲疲劳试样•2、缺口试样•对于带边缘缺口、中心圆孔和沟槽等试样统称为“缺口试样”。•缺口试样的疲劳性能主要取决于缺口处的应力集中因素Kt值。或maxmin/tKmaxmin/tK•3、低周疲劳试样•d=6.35、10、12.5•4、疲劳裂纹扩展试样•测定da/dN试验采用紧凑拉伸CT和中心裂纹拉伸CCT两种标准试样。•对于CT试样：•对于CCT试样：max0.221.25/()pWaPB2max0.2(4)(/)pWaK光滑圆试样夹持链条疲劳试验夹持板型试样夹持四点弯曲试样夹持连杆构件疲劳夹持第四节可疑观测值的取舍•在处理疲劳试验结果时，常常会发现某一数据中某一观测值与其它观测值差别很大，这种过大或过小的观测值叫做“可疑观测值”。•可疑观测值的取舍，应从以下两个方面来考虑：•1、从物理现象上考虑当测出的疲劳寿命过小时，有可能是由于试样本身的缺陷所致。夹杂、空穴、划伤、锈蚀、加工刀痕、载荷偏心、机器的侧振和跳动量过大等。对于过大观测值的出现，其中一重要原因，由于操作不当，在调试设备时施加一次过大的载荷引起了加工硬化。这对缺口试样或实际构件影响特别显著。•2、从数学方法上考虑基于概率的观点：在同一试验条件下，取得过大或过小的观测值是属于小概率事件，根据小概率事件几乎不可能出现的原理来确定取舍的准则。介绍一种常用的“肖维尔准则”。该准则基于正态分布理论。μ、σ分别由子样平均值和标准差s来估计。在一组n个观测值中，当可疑值xm小于下限a或大于上限b时，则xm可以取舍。取舍区间是用一个小概率1/(2n)来确定的。例如：n=11,1/(2n)=4.55%。此时a点以左正态曲线以下包围的面积4.55%的一半。x•舍弃原则：计算和s时，应将xm这一数值考虑在内。x第五节常规的单点试验法•一般是先根据材料的抗拉强度σb估算一个疲劳极限值，然后再在估算值高一定百分数的应力水平下开始进行疲劳试验，以后再根据前一根试样的疲劳寿命逐步降低应力进行下根试样的疲劳试验，直至有一根试样到试验基数以后不发生断裂为止。不断试样与相邻应力水平的应力平均值----疲劳极限。•一般准备10根材料和尺寸均相同的一组试样，5~7供试验用，其它作备用。•弯曲载荷下的常规单点疲劳试验：•（1）先用σ-1=0.47σb的近似公式估算材料疲劳极限σ-1。•（2）对于σb＜800MP的钢，第一根试样的应力取为σ1=1.3σ-1；对于σb＞800MP的钢，第一根试样的应力取为σ1=1.12σ-1。•（3）第二根试样的应力与第一根试样的破坏循环数有关。当N1＜2×105次循环时，第二根试样的应力σ2=σ1－20MP；当N1＞2×105次循环时，σ2=σ1＋20MP。这样，头两根试样确定出的是S—N曲线的上面部分。•（4）第三根试样应力的选择与头两根试样的破坏循环数有关。当N1（或N2）=（1~3.5）×105次循环时，σ3=0.86σ1（或σ2）；当N1（或N2）=（3.5~10）×105次循环时，σ3=0.88σ1（或σ2）。•（5）第四根试样的应力规定•①如果第三根试样在N=107次循环没有破坏：当σ1＜σ2时，σ4=（σ3+σ1）/2；当σ1＞σ2时，σ4=（σ3+σ2）/2。②如果第三根试样在N3＜107次下破坏了，则σ4=σ3-（20~30）MP。因此，应力σ4接近于σ-1。•（6）若σ3和σ4中有一根试样在107次循环以前破坏，另一根试样在107次循环时未破坏，则第五根试样的应力选择为（σ3+σ4）/2；若σ3和σ4均在107次循环以前破坏，则σ5=σ4-（20~30）MP。•若第五根试样到试验循环基数时未破坏，则疲劳极限等于σ5和比它高一级的破坏应力的平均值；若第五根试样到试验循环基数以前破坏，则疲劳极限等于σ5和比它低一级的破坏应力的平均值。•疲劳试验结果的要求：•当疲劳极限在100MP以内时，疲劳极限的两级应力之差一般不应高于3MP。•当疲劳极限在100~200MP，不高于5MP。•当疲劳极限在200~400MP，不高于10MP。•当疲劳极限大于400MP，不高于15MP。•用逐点描迹法画出S—N曲线第六节小子样升降法•由于疲劳性能的分散性，常规法求出的疲劳极限很不精确，要想求得精确的疲劳极限，必须使用升降法。为了减少试样数，高镇同教授在“配对”理论基础上，提出了节约试样的小子样升降法。•实验前先用常规法或估算法估算出粗略的疲劳极限值，然后根据估算的疲劳极限值确定出应力级差，试验时先在略高于疲劳极限估算值的应力下开始试验。若第一根试样在达到试验基数以前破坏，则下一根试样的试验应力降低一个级差；若第一根试样在达到试验基数时未破坏（即越出），则下一根试样的试验应力增加一个级差。以后的试样，也都按与此相同的方法继续进行试验。下图为这种方法进行试验的一个典型升降图，图中“×”表示破坏；“○”表示为破坏。•在处理试验结果时，在出现第一对相反结果以前的数据均应舍弃，这些试样为无效试样。则出现的第一对相反结果3和4的应力平均值（σ3+σ4）/2就是常规法的疲劳极限。同样，以后出现的相邻相反数据点的平均值也都相当于常规法疲劳极限。将这些用配对法得出的疲劳数据作为疲劳极限的数据点进行统计处理，即可得到疲劳极限的平均值和标准差。第七节成组试验法•指在一指定应力（或应变）水平下，根据一组试样试验结果，测定中值疲劳寿命或安全疲劳寿命。•主要适用于中、短寿命区，寿命在106循环范围之内。•实践表明：疲劳寿命遵循对数正态分布或威布尔分布。鉴于正态分布在确定置信度和最小试样个数方面的优越性