材料的疲劳试验策划

选修实验三
一、实验目的
材料的疲劳实验
1）了解测定金属材料应力疲劳性能和应变疲劳性能的主要方法； 2）了解进行金属材料疲劳性能测试的有关试验设备； 3）观察疲劳破坏断口的特征。 二、实验原理 1）应力疲劳试验 材料承受交变载荷破坏前所经历的循环次数称其为疲劳寿命 N。施加的应力 愈小，疲劳寿命愈长。对于一般碳素钢，如果在某一交变应力水平下经受 10 次 循环仍未破坏，则实际上可以承受无限次循环而不发生破坏。因此，通常在试验 中以对应 10 次循环的最大应力 max 作为疲劳极限 r 。但是，对于有色金属和某 些合金钢却不存在这一性质，在经受 10 次循环后，仍会发生破坏。因之，常以 破坏循环次数为 10 或 10 所对应的最大应力值作为条件疲劳极限，此处 10 或 10 称为循环基数。 任何高于疲劳极限的循环最大应力 max ，都会对应低于循环基数的某一寿命 N。 把通过试验得到的一系列不同循环最大应力 max 和寿命 N 的数据以及疲劳极 限数据，以 max 为纵坐标 N 为横坐标，可以绘出最大 max 与疲劳寿命 N 的关系 曲线，即 max ～N 曲线，通常称为 S～N 曲线。用 S～N 曲线来表征材料的应力 疲劳性能。图 1 表示一般碳素钢的 S～N 曲线形式。
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图 1 碳素钢的S～N 曲线
通常取 8~10 根光滑小试样采取不同最大应力水平得出一系列 max 和寿命 N 的数据，用曲线或直线拟合，即可得到 S～N 曲线。试验过程中对各级应力水平 要精心选择，以便用少数试样测得较理想结果。 2）应变疲劳试验 许多工程构件都存在应力集中区，如孔边、沟槽、过渡截面处、内部缺陷等。 当零构件受到周期性的外载荷作用时，虽然总体上处于弹性范围内工作，但在应 力集中区的材料则会进入弹塑性状态。随着外载荷循环周次的增加，应力集中区 的循环塑性应变导致了裂纹的萌生、扩展直至使零构件断裂。研究材料的应变疲 劳性能，可以了解零构件应力集中区的应力-应变行为，为估算零构件的疲劳寿 命提供更为可靠的依据。 当材料进入以塑性应变为主的弹塑性状态时，只有以应变为控制参量才能测 取材料的疲劳性能。控制总应变幅值对光滑小试样进行循环加载，可绘制出应力 -应变滞后回线（图 2） ，在多级不同总应变幅值 i 控制下可测得相应的疲劳寿 命，进而得到材料的循环应力-应变曲线（图 3）和应变-疲劳寿命曲线即 i - N f 曲线 （图 4） 。 应用这些曲线提供的材料应变疲劳性能， 可对零构件的安全寿命 N f 进行估算。 需要使用具有高精度应变控制功能的电液伺服疲劳试验机才能完成材料的 应变疲劳性能的测试工作。
图 2 应力-应变滞后回线
图 3 循环应力-应变曲线
图 4 应变-疲劳寿命曲线
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三、实验材料与样品 圆柱型光滑弯曲疲劳试样、圆柱型缺口弯曲疲劳试样 四、实验仪器 纯弯曲式疲劳试验机，高频疲劳试验机，电液伺服疲劳试验机，长焦距显微 镜。 五、实验步骤（演示） 1）观察疲劳破坏实物，了解疲劳断口形貌特征； 2）观看纯弯曲式疲劳试验机（莫尔疲劳试验机） ，讲解工作原理。开启电源，转 动电机转速调节器由零逐渐加快，观察其工作状态； 3）观看高频疲劳试验机，讲解工作原理。开启电源，观察试样振动情况； 4）观看电液伺服疲劳试验机，讲解工作原理。开动试验机，演示位移控制模式 下的动作，演示在应变控制下的应力-应变滞后回线测绘。 5）用长焦距显微镜观察疲劳裂纹的扩展情况。 六、数据处理 说明本实验所用设备的型号、画出试样草图 七、思考题 1）为什么高周疲劳多用应力控制，低周疲劳多用应变控制? 2）说明应力-应变滞后回线的意义 八、注意事项 1）实验前，一定预习实验指导书。 2）观看实验时，一定要仔细认真，注意不同疲劳实验的特点和工作原理。