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。
• （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。
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。
• （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。
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。
• 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。
• 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。
质量m1 试 件 的 弹 性 变 形 m1 砝码质量m0 m0
Leabharlann Baidu
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。
• 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。
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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。