结构疲劳试验

结构试验报告结构疲劳试验
道桥08
丁宇
0804110304
结构疲劳试验
中文名称：
疲劳试验
英文名称：
fatigue test
定义：为评定材料、零部件或整机的疲劳强度及疲劳寿命所进行的试验。

疲劳简介
疲劳破坏现象的出现，始于19世纪初叶。

产业革命以后，随着蒸汽机车和机动运载工具的发展，以及机械设备的广泛应用，运动部件的破坏经常发生。

破坏往往发生在零构件的截面突变处，破坏处的名义应力不高，低于材料的抗拉强度和屈服点。

破坏事故的原因一时使工程师们摸不着头脑，直至1829年德国人艾伯持用矿山卷扬机焊接链条进行疲劳试验，破坏事故才被阐明。

1839年，法国工程师彭赛列首先使用“疲劳”这一术语来描述材料在循环载荷作用下承载能力逐渐耗尽以致最后突然断裂的现象。

1843年苏格兰人兰金发表了第一篇疲劳论文，论文中指出，机车车辆的破坏是由于运行过程中金属性能逐渐变坏所致。

他分析了车轴轴肩处尖角的有害影响，指出了加大轴肩处的圆角半径可以提高其疲劳强度。

1842年Hood(胡持)提出了结晶理论，认为金属在循环应力下的疲劳强度降低是振动引起的结晶化所致。

1849年美国机械工程学会还举行了专门会议对此理论进行讨论。

对疲劳现象最先进行系统试验研究的学者是德国人Wholer(沃勒)，他从1847年至1889年在斯特拉斯堡皇家铁路工作期间，对金属的疲劳进行了深入系统的试验研究。

1850年他设计出了第一台疲劳试验机(亦称WohLer疲劳试验机)，用来进行机车车轴疲劳试验，并首次使用金届试样进行了疲劳试验。

他在1871年发表的论文中，系统论述了疲劳寿命与循环应力的关系，提出了S—N曲线和疲劳极限的概念，确定了应力幅是疲劳破坏的主要因素，奠定了金属疲劳的基础。

因此Wholer被公认是疲劳的奠基人。

从19世纪70年代到90年代，戈贝尔研究了平均应力对疲劳强度的影响，提出了戈贝尔抛物线方程。

英国人古德曼提出了著名的简化曲线----古德曼图。

1884年包辛格在验证沃勒的疲劳试验时，发现了循环载荷下弹性极限降低的“循环软化”现象，引入了应力—应变滞后回线的概念。

但是他的工作当时并未引起人们重视，直到1952年邱杨在做铜棒实验时才把它重新提出来，并命名为“包辛格”效应。

因此，包辛格是首先研究应力循环的人。

20世纪初叶，开始使用金相显微镜来研究疲劳机制。

欧文和汉弗莱1903年在单晶铝和多晶铁上发现了循环应力产生的滑移痕迹。

他们通过微观研究推翻了老的结晶理论，指出了疲劳变形是由于与单调变形相类似的滑移所产生。

1901年拜尔斯透研究了循环载荷下应力—应变曲线的变化，测定了滞后回线，建立了循环硬化和循环软化的概念，并且进行了多级疲劳试验（程序试验）。

在此期间，英国人高夫对疲劳机制的了解贡献很大。

他研究了多轴疲劳，说明了弯、扭的复合作用。

并在1924年发表了一本巨著《金属疲劳》。

1920年格里菲斯发表了他用玻璃研究脆断的理论计算和实验结果。

他发现，玻璃的强度取决于微裂纹尺寸，得出了S√a=常数的关系式（S为断裂时的名义
应力，a为裂纹尺寸）。

此公式是断裂力学的基础，他因而被称为“断裂力学之父”。

1929年美国人彼特逊对尺寸效应进行了一系列试验，并提出了应力集中系数的理论值。

1920-1930年英国人海夫对高强度钢和和软钢的不同缺口疲劳效应做了合理的解释，他在解释缺口疲劳效应时使用了缺口应变分析和内应力的概念。

30年代在汽车工业中使用了喷丸技术，解决了车轴和弹簧经常发生疲劳破坏的问题。

埃尔曼正确解释了喷丸提高疲劳强度的机制—主要是表面层内建立的压缩残余应力的作用。

1937年德国人诺依伯引入了应力梯度的概念，并指出缺口的疲劳强度应取决于缺口的根部表面层的平均应力，而非缺口根部的最大应力。

1945年，美国人迈因纳在对疲劳的累积损伤问题进行了大量试验研究的基础上，将帕尔姆格伦1924年提出的线性累积损伤理论公式化，形成了帕尔姆格伦—迈因纳线性累积损伤法则，此法则至今仍在广泛应用。

在此期间，苏联的谢联先还提出了常规疲劳设计计算公式，奠定了常规疲劳设计的基础。

50年代对疲劳有三大贡献：其一是研制出了闭环控制的电液伺服疲劳试验机，从而在疲劳试验中可以模拟机器的实际使用工况，促进了疲劳试验的发展；其二是电子显微镜的出世，给疲劳机制的研究开拓了新纪元；其三是1952年美国国家航空和航天管理局NASA刘易斯研究所的曼森和科芬在大量实验数据的基础上提出了表达塑性应变和疲劳寿命间关系的曼森—科芬方程，奠定了低周疲劳的基础。

1961年诺依伯开始用局部应力应变研究疲劳寿命，提出了诺依伯法则。

1963年美国人帕里斯在断裂力学方法的基础上，提出了表达裂纹扩展规律的著名关系式---帕里斯公式，给疲劳研究提供了一个估算裂纹扩展寿命的新方法，在此基础上发展出了损伤容限设计，从而使断裂力学和疲劳这两门学科逐渐结合起来。

60年的开始将统计学应用于疲劳试验和疲劳设计，1963年美国材料与试验协会的E9疲劳委员会发表了《疲劳试验与疲劳数据的统计分析指南》一书。

1971年威茨在曼森—科芬方程的基础上，提出了根据应力-应变分析估算疲劳寿命的一整套方法—局部应力应变疲劳分析法。

1974年美国空军把这种方法应用到飞机零构件的估算寿命上；美国汽车工程协会也要求各厂家进行产品设计时，一定要把这种方法纳入设计大纲。

1979年美国杜鲁门飞机公司已正式采用这种方法来估算零构件的疲劳寿命。

在此期间，可靠性理论和损伤容限设计也都开始在疲劳设计中应用。

此外，还开始对腐蚀疲劳和高温疲劳等特殊环境下的疲劳问题进行了广泛的研究。

疲劳试验机
科技名词定义
中文名称：
疲劳试验机
英文名称：
fatigue testing machine
定义：
使试样或构件承受周期或随机变化的应力或应变，以测定疲劳极限和疲劳寿命等指标的试验机。

大连理工大学土木水利实验教学中心-土木工程结构实验室
MTS电液伺服结构疲劳试验机
疲劳试验机，是一种主要用于测定金属及其合金材料在室温状态下的拉伸、压缩或拉、压交变负荷的疲劳性能试验的机器。

疲劳试验机特点是可以实现高负荷、高频率、低消耗，从而缩短试验时间，降低试验费用。

疲劳试验机用于进行测定金属、合金材料及其构件（如操作关节、固接件、螺旋运动件等）在室温状态下的拉伸、压缩或拉压交变负荷的疲劳特性、疲劳寿命、预制裂纹及裂纹扩展试验。

高频疲劳试验机在配备相应试验夹具后，可进行正弦载荷下的三点弯曲试验、四点弯曲试验、薄板材拉伸试验、厚板材拉伸试验、强化钢条拉伸试验、链条拉伸试验、固接件试验、连杆试验、扭转疲劳试验、弯扭复合疲劳试验、交互弯曲疲劳试验、CT试验、CCT试验、齿轮疲劳试验等。

金属疲劳试验大纲
1．通过金属材料疲劳实验,测定金属材料的σ-1(107),绘制材料的S-N曲线,并观察疲劳破坏现象和断口特征,进而学会对称循环下测定金属材料疲劳极限的方法.
2．主要设备:纯弯曲疲劳试验机,游标卡尺;主要耗材:金属材料试样.(单点法需8-10根试样,成组法至少需20根试样.)
金属疲劳试验指导
在足够大的交变应力作用下，于金属构件外形突变或表面刻痕或内部缺陷等部位，都可能因较大的应力集中引发微观裂纹。

分散的微观裂纹经过集结沟通将形成宏观裂纹。

已形成的宏观裂纹逐渐缓慢地扩展，构件横截面逐步削弱，当达到一定限度时，构件会突然断
裂。

金属因交变应力引起的上述失效现象，称为金属的疲劳。

静载下塑性性能很好的材料，当承受交变应力时，往往在应力低于屈服极限没有明显塑性变形的情况下，突然断裂。

疲劳断口（见图2－30）明显地分为两个区域：较为光滑的裂纹扩展区和较为粗糙的断裂区。

裂纹形成后，交变应力使裂纹的两侧时而张开时而闭合，相互挤压反复研磨，光滑区就是这样形成的。

载荷的间断和大小的变化，在光滑区留下多条裂纹前沿线。

至于粗糙的断裂区，则是最后突然断裂形成的。

统计数据表明，机械零件的失效，约有70%左右是疲劳引起的，而且造成的事故大多数是灾难性的。

因此，通过实验研究金属材料抗疲劳的性能是有实际意义的。

一﹑实验目的
1.观察疲劳失效现象和断口特征。

2.了解测定材料疲劳极限的方法。

二、实验设备
1.疲劳试验机。

2.游标卡尺。

三﹑实验原理及方法
在交变应力的应力循环中，最小应力和最大应力的比值
r=（2-16）
称为循环特征或应力比。

在既定的r下，若试样的最大应力为σ，经历N1次循环后，发
生疲劳失效，则N1称为最大应力为σ时的疲劳寿命（简称寿命）。

实验表明，在同一循环特征下，最大应力越大，则寿命越短；随着最大应力的降低，寿命迅速增加。

表示最大应
力σmax与寿命N的关系曲线称为应力-寿命曲线或S-N曲线。

碳钢的S-N曲线如图2－31
所示。

从图线看出，当应力降到某一极限值σr时，S-N曲线趋近于水平线。

即应力不超过σr时，寿命N可无限增大。

称为疲劳极限或持久极限。

下标r表示循环特征。

实验表明，黑色金属试样如经历107次循环仍未失效，则再增加循环次数一般也不会失效。

故可把107次循环下仍未失效的最大应力作为持久极限σr。

而把N0=107称为循环基数。

有色金属的S-N曲线在N>5×108时往往仍未趋于水平,通常规定一个循环基数N0,例如取N0=108,把它对应的最大应力作为“条件”持久极限。

工程问题中，有时根据零件寿命的要求，在规定的某一循环次数下，测出σmax，并称之为疲劳强度。

它有别于上面定义的疲劳极限。

用旋转弯曲疲劳实验来测定对称循环的疲劳极限σ-1.设备简单最常使用。

各类旋转弯曲疲劳试验机大同小异，图2-32为这类试验机的原理示意图。

试样1的两端装入左右两个心轴2后，旋紧左右两根螺杆3。

使试样与两个心轴组成一个承受弯曲的“整体梁”上，它支承于两端的滚珠轴承4上。

载荷P通过加力架作用于“梁”上，其受力简图及弯矩图如图2-33所
示。

梁的中段（试样）为纯弯曲，且弯矩为M=Pɑ。

“梁”由高速电机6带动，在套筒7
中高速旋转，于是试样横截面上任一点的弯曲正应力，皆为对称循环交变应力，若试样的最小直径为d min，最小截面边缘上一点的最大和最小应力为
＝，＝-(2-17)
式中I=d。

试样每旋转一周，应力就完成一个循环。

试样断裂后，套筒压迫停止开关使试验机自动停机。

这时的循环次数可由计数器8中读出。

四﹑实验方法
这里介绍的单点实验法的依据是标准HB5152-80（第三机械工业部标准，金属室温旋转弯曲疲劳实验方法）。

这种方法在试样数量受限制的情况下，可用以近似地测定S-N曲线和粗略地估计疲劳极限。

更精确地确定材料抗疲劳的性能应采用升降法。

单点实验法至少需8～10根试样，第一根试样的最大应力约为σ1＝（0.6～0.7）σb，经N1次循环后失效。

继取另一试样使其最大应力σ2=(0.40～0.45)σb，若其疲劳寿命N<107，则应降低应力再做。

直至在σ2作用下，N2>107。

这样，材料的持久极限σ-1在σ1与σ2之间。

在σ1与σ2之间插入4～5个等差应力水平，它们分别为σ3﹑σ4﹑σ5﹑σ6，逐级递减进行实验，相应的寿命分别为N3﹑N4﹑N5﹑N6。

这就可能出现两种情况：（1）与σ6相应
的N6<107，持久极限在σ2与σ6之间。

这时取σ7=(σ2+σ6 )再试，若N7<107，且σ7-σ2小于控制精度△σ＊（关于△σ＊，将在下面说明），即σ7-σ2<△σ＊，则持久极限为σ7与
σ2的平均值，即σ-1=(σ7+σ2)。

若N7>107,且σ6-σ7≤△σ*,则σ-1为σ7与σ6的平均值,即σ-1=(σ7+σ6)。

（2）与σ6相应的N6>107，这时以σ6和σ5取代上述情况的σ2和σ6，用相同的方法确定持久极限。

五﹑试样的制备
同一批试样所用材料应为同一牌号和同一炉号，并要求质地均匀没有缺陷。

疲劳强度与试样取料部位﹑锻压方向等有关，并受表面加工﹑热处理等工艺条件的影响较大。

因此，试样取样应避免在型材端部，对锻件要取在同一锻压方向或纤维延伸方向。

同批试样热处理工艺相同。

切削时应避免表面过热，引起较大残余应力。

不能有周线方向的刀痕，试样的试验部位要磨削加工，粗糙度为0.8～0.2。

过渡部位应有足够的过渡圆角半径。

圆弧形光滑小试样如图2-34所示，其最小直径为7～10mm，试样的其他外形尺寸，因疲劳试验机不同而异，没有统一规定。

六﹑实验步骤
以M=Pa和I=代式（2-17），求得最小直径截面上的最大弯曲正应为：σ =
令K=，则上式可改写成
P=Kσ(2-18)
K称为加载乘数，它可根据试验机的尺寸a和试样的直径d min事先算出，并制成表格。

在试样的应力σ确定后，便可计算出应施加的载荷P。

载荷中包括套筒﹑砝码盘和加力架的重量G，所以，应加砝码的重量实为
P’=P-G=Kσ-G (2-19)
现将试验步骤简述如下：（1）测量试样最小直径d min；（2）计算或查出K值；（3）根据确定的应力水平σ，由式（2.19）计算应加砝码的重量P’;(4)将试样安装于套筒上，拧紧两根连接螺杆，使与试样成为一个整体；（5）连接挠性连轴节；（6）加上砝码；（7）开机前托起砝码，在运转平稳后，迅速无冲击地加上砝码，并将计数器调零；（8）试样断裂或记下寿命N，取下试样描绘疲劳破坏断口的特征。

实验时应注意的事项：（1）未装试样前禁止启动试验机，以免挠性连轴节甩出；（2）实验进行中如发现连接螺杆松动，应立即停机重新安装。

七﹑实验结果处理
1.下列情况实验数据无效：载荷过高致试样弯曲变形过大，造成中途停机；断口有明显
夹渣致使寿命偏低。

2.将所得实验数据列表；然后以lgN为横坐标，σmax为纵坐标，绘制光滑的S-N曲线，
并确定σ-1的大致数值。

3.报告中绘出破坏断口，指出其特征。