第三章疲劳试验设计与数据处理

• 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。
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。
质量m1 试 件 的 弹 性 变 形 m1 砝码质量m0 m0
振荡 系统
其 他 弹 性 质 量
工作台m0 逆质量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。
• （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ζs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ζs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。
• 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。
• （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。
• 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ζs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。
• （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。
• 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。
t max min
t max min
• 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：W a (4 )(Kmax / p 0.2 )2
p 0.2 ) • 对于CCT试样： W 2a 1.25P max / ( B
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。
• 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、ζ分别由子样平均值 x 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。
• 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。
• 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
• 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。
• 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 样数百度文库高镇同教授在“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。
• 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 K / 或 K / 中因素Kt值。
• 舍弃原则：
计算 x 和s时，应将xm 这一数值考虑在内。
第五节 常规的单点试验法
• 一般是先根据材料的抗拉强度ζb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ζ-1=0.47ζb的近似公式估算材料疲劳极限ζ-1。 • （2）对于ζb＜800MP的钢，第一根试样的应力取为ζ1=1.3 ζ-1 ；对于ζb ＞800MP的钢，第一根试样的应力取为ζ1=1.12 ζ-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ζ2=ζ1－20MP；当N1＞2×105次循 环时， ζ2=ζ1＋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，ζ3=0.86 ζ1（或ζ2）；当N1（或 N2）=（3.5~10）×105次循环时， ζ3=0.88 ζ1（或ζ2）。 • （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ζ1 ＜ζ2时， ζ4=（ζ3+ ζ1 ）/2；当ζ1 ＞ζ2时， ζ4=（ζ3+ ζ2 ）/2。 ②如果第三根试样在N3 ＜ 107次下破坏了，则ζ4=ζ3-（20~30）MP。因 此，应力ζ4接近于ζ-1。 • （6）若ζ3和ζ4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（ζ3+ ζ4 ）/2；若ζ3和ζ4 均在107次循环以前破坏，则ζ5=ζ4-（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ζ5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ζ5和比它低一级的破坏应力的平均值。
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。