1疲劳基本知识和试验方法f

汽车零件快速疲劳试验方法培训教材1目录第一章疲劳的基本知识21.1概述21.2变动负荷21.3疲劳曲线31.4疲劳宏观断口41.5S-N曲线与疲劳极限的测定61.6疲劳的统计学初步9第二章S-N曲线的快速测定方法132.1概述132.2快速测定方法的假定132.3虚拟子样法142.4试验验证152.5小结18第三章疲劳极限快速测定方法203.1概述203.2疲劳极限快速测定方法研究203.3国内外同类方法对比243.4小结25附录－固定射点法的试验验证26第四章汽车零部件疲劳试验评估方法与试验技巧334.1概述334.2试验设计334.3试验机364.4夹具设计374.5试件制备384.6试件异常失效的处理394.7若干试验技巧40第五章汽车零件台架疲劳试验信息的采集、分析及应用435.1引言435.2试验信息的获取435.3试验信息的分析与应用445.4结束语492第一章疲劳的基本知识1.1概述许多机械零部件如轴、连杆、齿轮、弹簧等，都是在变动载荷作用下工作的，它们工作时所承受的应力通常都低于材料的屈服强度。机件在这种变动载荷下，经过较长时间工作而发生断裂的现象叫做金属的疲劳。疲劳断裂与静载荷下的断裂不同，无论是静载荷下显示脆性或韧性的材料，在疲劳断裂是都不产生明显的塑性变形，断裂是突然发生的，因此，具有很大的危险性，常常造成严重的事故。据统计，在损坏的机械零件中，大部分是由金属疲劳造成的。因此，研究疲劳断裂的原因，寻找提高材料疲劳抗力的途径以防止疲劳断裂事故的发生，对于发展国民经济有着重大的实际意义。金属疲劳有各种不同的分类方法。根据机件所受应力的大小，应力交变频率的高低，通常可分为两类：一类为应力较低，应力交变频率较高情况下产生的疲劳，即通常所说的疲劳或称高周疲劳。另一类为应力高（工作应力近于或高于材料的屈服强度），应力交变频率低，断裂时应力交变周次少（小于104～105）的情况下产生的疲劳，称为低周疲劳（或称低循环疲劳），也称应变疲劳。本章内容主要涉及高周疲劳。1.2变动负荷由于金属的疲劳是在变动载荷作用下经过一定的循环周次之后才出现的，所以首先需要了解变动载荷的特性。所谓变动载荷是指载荷的大小、方向，或大小和方向都随时间发生周期性变化的载荷。在变动载荷作用下，结构或零部件内部所产生的应力称为变动应力。变动载荷按其幅值随时间的变化情况可以分为等幅载荷和变幅载荷两类。载荷幅值不随时间而变化的称为等幅变动载荷，等幅变动载荷按其波形又可分为正弦波、三角波、矩形波、梯形波等，见图1-1所示。变幅载荷是指幅值随时间而变化的变动载荷。它可分为程序载荷和随机载荷两种。3如何来描述变动载荷的特性呢？图1-2为正弦变动载荷（或应力）。变动载荷的特性可以用应力幅值σa，平均应力σm和应力对称系数r等几个参数来表示。2minmaxa2minmaxmmaxminr式中:σmax－循环应力中的最大应力；σmin－循环应力中的最小应力。应力循环的特点根据对称情况可分为四种。当最大拉应力值等于最大压力应力值时，即σm＝0，r＝-1，则称为交变应力；见图1-2a；当σm＝σa时，即σmin＝0，r＝0，称为脉动应力,见图1-2b；当1＞r＞0时，即为波动拉伸；当0＞r＞-1时为波动压缩。静拉伸为变动载荷的一个特例，其压力比r＝1。1.3疲劳曲线在变动载荷作用下，金属承受的变动应力和断裂循环周次之间的关系可以用疲劳曲线来描述。在试验室中的疲劳试验，一般是采用标准试样，在控制载荷或应力的条件下，用旋转弯曲疲劳试验机或高频拉-压疲劳试验机来进行的。试验中记录试样在某一循环应力作用下到达破坏时的循环周次或寿命N，这里的破坏是指断裂。对一组试样施加不同应力幅的循环载荷，就得到了一组破坏循环周次。以循环应力中的最大应力σ为纵坐标，破坏循环周次N为横坐标，根据试验数据，绘出图5-4所示的疲劳曲线，即σ-N曲线。如为扭转疲劳试验，就可得到扭转的τ-N曲线。同理，在控制应变的条件下，可得到应变-寿命曲线，即ε-N曲线。由于“应力”和“应变”在英文中的字首都是“S”，所以σ-N曲线、τ-N曲线和ε-N曲线统称为S-N曲线。图1－3表示用光滑试样控制载荷或应力得到的典型的S-N曲线，如果每一应力4水平用一个试样，曲线用最小二乘法绘出；如果每一应力水平用一组试样，那么所作的S-N曲线通常穿过均值点。曲线的水平段表示材料经无限次应力循环而不破坏，与此相对应的最大应力表示光滑试样的疲劳极限σ-1。不同材料的S-N曲线的形状是不同的。结构钢在室温空气中试验得到的S-N曲线有一水平接近线，其纵坐标就是疲劳极限。当时，试样经有限次应力循环就发生破坏。当σmax＜σ-1时，试样经无限次应力循环也不破坏。对有色金属、在高温下或在腐蚀介质中工作的钢等，它们的S-N曲线没有水平段，这时就规定某一循环周次N0所对应的应力作为“条件疲劳极限”。N0称为循环基数，对于不同的材料，N0的取值是不同的，对于中、低碳钢，一般N0＝107；对于有色金属及不锈钢，取N0＝2×107～5×108循环周次，如图1－4所示。1.4疲劳宏观断口我们已经知道，疲劳损坏有裂纹的萌生、扩展直至最终断裂三个阶段。因此，一5般把断口分成与其相对应的三个区，即疲劳源区、疲劳扩展区和瞬时断裂区。见图1-5。（1）疲劳源区构件在变动载荷作用下，由于材料的质量、加工缺陷或结构设计的不合理等原因，在零件或试样的局部区域造成应力集中，这些区域便是疲劳源产生的策源地。它是疲劳裂纹的形成过程在断口上留下的真实记录。由于疲劳源区一般很小，所以宏观上难以分辨疲劳源区的断口特征，但将它放大500倍后，就可以看到明显的疲劳裂纹。由于疲劳源区的特征与形成疲劳裂纹的主要原因有关，所以当疲劳起源于原始的宏观缺陷时，准确判断原始宏观缺陷的性质，将为分析断裂事故的原因提供重要依据。（2）疲劳扩展区疲劳扩展区最主要的宏观形貌特征是疲劳条纹和疲劳台阶。疲劳条纹是在裂纹扩展过程中形成的一些相互近似平行的弧线，也叫裂纹扩展前沿线，这些弧线有的象贝壳花样，有的象海滩标记。疲劳台阶是在一个孤立的疲劳区内，两个疲劳源向前扩展相遇而形成的。有时断口上并无明显的疲劳条纹，尤其是薄板件，但却有明显的疲劳台阶。断口表面因反复挤压、摩擦，有的光亮得象细瓷断口一样。（3）瞬时断裂区由于疲劳裂纹不断发展，使构件或试样的有效断面逐渐减小，因为，断面承受的应力不断增加，当应力超过材料的断裂强度时，则发生断裂。这部分断口和静载荷下带有尖锐缺口试样的断口相似。对于塑性材料，断口为纤维状，呈暗灰色；而对于脆性材料则是结晶状。疲劳裂纹扩展区与最后断裂区所占面积的相对比例，随所受应力大小而变化。当应力小而又无大的应力集中时，则疲劳裂纹扩展区大；反之，则小。疲劳端口上的前沿线也常随应力集中程度及材料质量等因素不同而变化。因此，可以根据疲劳断口上两个区域的面积所占比例，估计所受应力高低及应力集中程度的大小。一般说来，瞬时断裂区的面积愈大，愈靠近中心，则表示构件过载程度愈大。相反，其面积愈小，愈靠近边缘，则表示过载程度愈小。61.5S-N曲线与疲劳极限的测定1.5.1S-N曲线的测定如果希望得到较精确的S-N曲线，最好采用成组试验法，即在每个应力水平下使用一组试样来进行试验。一般每组取5根左右试样或更多一点。测定S-N曲线时，通常至少取4～5级应力水平。高应力水平的间隔可取得大一些，随着应力的降低，间距愈来愈小。最高应力水平的确定与常规疲劳试验方法相同。成组试验法试验结果的处理方法说明如下：1）当在某一应力水平下组内各疲劳寿命大部分均在106循环周次以内时，根据实践经验，可以假定对数疲劳寿命遵循正态分布。由数理统计分析理论可以导出：niigNln11X＝所以niiggNlnN1501l取反对数，则的中值疲劳寿命N50；)Nln1(lNn1iig1g50式中：X—对数疲劳寿命平均值；50N—中值疲劳寿命：n—每组试样数量，也称子样数；Ni—组内第i根试样的疲劳寿命。例如，在σ=775.0牛/毫米2，r=-1的应力水平下，试验一组60Si2Mn钢试样，各试样的疲劳寿命列于表1－1中。表1－160Si2Mn钢试样的疲劳寿命试样编号12345疲劳寿命N（千周）129.4139.9149.0150.4189.0对数疲劳寿命Ngl2.1122.1462.1732.1772.277对数疲劳寿命的品均值为：)277.2177.2173.2146.2112.2(51Nl50g取反对数则的中值疲劳寿命：4.150177.2lN1g50（千周）2）当在某以应力水平下，组内各疲劳寿命大部分均在106循环周次以上时，特别是对于107循环周次以上（即包含通过情况），则应取这组疲劳寿命的中值作为母体中值疲劳寿命50N的估计量。例如，在某应力水平下，测得一组5根试样的疲劳寿命，按从小到大次序排列如表1－2所示。7表1－2某应力水平下的疲劳寿命试样编号12345疲劳寿命N（千周）98311464350787112522可以看到，表中各疲劳寿命大部分在106循环周次以上。因为组内试样数5是奇数，则中值就是中间即第3个疲劳寿命，于是中值疲劳寿命：50N＝4350（千周）若组内试样数是偶数，则中值是居于中间的两个数值的平均值。显然，中值的大小只定于居中的一、二个数值，与其他数据的具体大小无关。因此，对于一组中那些高寿命的试样，不必试验至破坏，只要知道它大于中值就可以了，我们称这种试验为“夭折试验”。采用夭折试验方法可以节约大量时间。按照上述方法，可以得到各应力水平所对应的中值疲劳寿命N50，以应力σ为纵坐标，lgN50为横坐标，就可以绘制出中值的S-N曲线。1.5.2疲劳极限的测定升降法是从高于疲劳极限的应力水平开始试验，然后逐级下降，如图5－8所示。在应力水平σ0下试验第1根试样，该试样在未达到指定寿命N＝107循环周次之前发生了破坏，于是，第2根试样就在第一级的应力水平σ1下进行试验。一直试到第4根试样时，因该试样在应力水平σ3下经107循环周次没有破坏（通过），故依次试验的第5根试样就在高一级的应力水平σ2下进行。照此办理，凡前一根试样不到107循环周次就破坏，则随后的一次试验就要在低一级的应力水平下进行；凡前一根试验通过，则随后的一次试验就要在高一级的应力水平下进行，直到完成全部试验为止。相邻两级应力水平之差△σ叫做应力增量，在整个试验过程中，应力增量保持不变。图1-6升降图表示有16个试样的试验结果。处理试验结果时，将出现第一对相反结果以前的数据舍弃。如图1-6中的点3和点4是出现的第一对相反结果，数据点)2222222(7132324343213232r化简后得到)265(1414321r由上式可以看出，括号内各级应力前的系数，恰好代表在各级应力水平下试验进行的次数。如图1-6所示，在应力水平σ1下只进行过1次试验（数据点2被舍弃），在应力水平σ2下进行过5次试验，……。如以V1表示在第I级应力水平σi下进行的试验次数，n表示试验总次数，m表示应力水平的级数，则疲劳极限σr的一般表达式可以写成：)VVV(n1mm2211r或m1iiiVn1r8升降法试验最好在3～5级的应力水平下进行。当完成了第6或第7根试验的试验后，就可以开始计算σr值，并陆续计算出第8、9、10、……根试样试验后的σr值。当这些σr数值的变化越来越小，趋于稳定时，试验即可停止。由于长寿命区（N＞106）试验数据的离散性大，一般有效的试验数量不少于13根。实际上，在进行疲劳极限计算式，总比实际试验的次数多考虑一个数据点，这是因为当最后一次试验在未达到107循环周次破坏（或通过），故下一次试验应在低一级（或高一级）的应力水平下进行。因此，这一数据点虽未经试验，但仍可作为一个有效数据点。应用升降法测定疲劳极限的关键，在于应力增量△σ的选择。一般说来，应力增量最好选择得是试验在3～5级的应