金属疲劳试验
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(2)电磁谐振疲劳试验机
瑞士Amsler高频疲劳试验机是一个由试样3、 弹性测力计4、调节固有频率的质量块1、电 磁振荡器14、预加载弹簧5以及重大的起反 作用的质量块2组成的振动体系,整个体系 放在四个隔振块7上,如图5所示,这个体系 有一个固有振动频率,微小的振动就使小电 磁铁13得到一个与固有频率同相位的电势信 号通入放大器15,经过功率放大,得到强大 的电流通入电磁振荡器14,使试样以系统固 有频率经受循环载荷。弹性测力计4的弹性 外壳与中心自由悬垂不受力的杆17在系统受 力过程中发生位移差而使带着小镜子16的杆 转动,小镜子16上接收来自线光源在转动中
R(N )
1 m
n i 1
vi i
1
式中 m——有效试验总次数;n—应力水平级 数;—第i级应力水平;—第i级应力水平下的试验 次数。
例如某试验过程如图2所示,共14根试件。 预计疲劳极限为390MPa,取其2.5%约 10MPa为应力增量,第一根试件的应力水平 402MPa,全部试验数据波动如图2,可见, 第四根试件为第一次出现相反结果,在其之 前,只有第一根在以后试验波动范围之外,
发生偏转,偏转反映在透明标尺9上,指示试 样所受的力的大小及范围。
图5 Amsler 高频疲劳试验机
调节光电管11及光阑10位置,形成载荷信号 反馈到放大器15,修正通入振荡器的电流值, 从而修正试样所受载荷大小。质量块1是由 几个圆盘组成的,可通过增减圆盘改变质量 以调节固有频率,改变试样尺寸也可调节固 有频率,频率范围为60~300 Hz。通过调节 丝杠6和弹簧5可施加静载荷,欲得到任意不 对称的循环载荷。这样的机器现在应用很广 泛,可用之做轴向加载和弯曲加载的试验以 及裂纹扩展方面的试验。机器装有载荷保护 装置,当载荷过大、过小超过规定范围时, 自动停车。
金属疲劳试验
主讲教师:
一、实验目的
1. 了解疲劳试验的基本原理。 2. 掌握疲劳极限、S-N曲线的测试方
法。
二、实验原理
1.疲劳抗力指标的意义
目前评定金属材料疲劳性能的基本方法就是 通过试验测定其S-N曲线(疲劳曲线),即建立 最 循大环应 周力 次σNm之ax或间应的力关振系幅曲σ线α与。其不相同应金的属断材裂料 的S-N曲线形状是不同的,大致可以分为两 类,如图1所示。其中一类曲线从某应力水平 以下开始出现明显的水平部分,如图1(a)所 示。这表明当所加交变应力降低到这个水平 数值时,试样可承受无限次应力循环而不断 裂。
(3)电液伺服疲劳试验机
图6所示的是Instron系列电液伺服材料试验 机原理图。给定信号I通过伺服控制器将控 制信号送到伺服阀1,用来控制从高压液压 源III来的高压油推动作动器2变成机械运动 作用到试样3上,同时载荷传感器4,应变传 感器5和位移传感器6又把力、应变、位移转 化成电信号,其中一路反馈到伺服控制器中 与给定信号比较,将差值信号送到伺服阀调 整作动器位置,不断反复此过程,最后试样 上承受的力(应变、位移)达到要求精度, 而力、位移、应变的另一路信号通入读出器 单元IV上,实现记录功能。
应的应力作为金属材料的“条件疲劳极限”,用符 号σR(N)表示。
2.S-N曲线的测定
(1) 条件疲劳极限的测定
测试条件疲劳极限采用升降法,试件取13根以上。 每级应力增量取预计疲劳极限的5%以内。第一根试 件的试验应力水平略高于预计疲劳极限。根据上根 试件的试验结果,是失效还是通过(即达到循环基 数不破坏)来决定下根试件应力增量是减还是增, 失效则减,通过则增。直到全部试件做完。第一次 出现相反结果(失效和通过,或通过和失效)以前 的试验数据,如在以后试验数据波动范围之外,则 予以舍弃;否则,作为有效数据,连同其他数据加 以利用,按下列公式计算疲劳极限:
限时,不可能做到无限次应力循环,而试验表明, 这类材料在交变应力作用下,如果应力循环达到107
周次不断裂,则表明它可承受无限次应力循环也不 会断裂,所以对这类材料常用107周次作为测定疲劳
极限的基数。另一类疲劳曲线没有水平部分,其特 点是随应力降低,循环周次N不断增大,但不存在 无限寿命。如图1(b)所示。在这种情况下,常根据 实际需要定出一定循环周次(108或5×107…)下所对
这表明当所加交变应力降低到这个水平数值时,试
样可承受无限次应力循环而不断裂。因此将水平部 分 表所示对(R应为的最应小力应称力之与为最金大属应的力疲之劳比极,限称,为用应符力号比σ)。R 若试验在对称循环应力(即R=-1)下进行,则其疲劳 极 N曲限线以属σ-于1表这示一。类中。低对强这度一结类构材钢料、在铸测铁试等其材疲料劳的极S-
为无效,则按上式求得条件疲劳极限如下:
R(N )
1 13
(3 392
5 382
4 372
1 362)
380(MPa)
R(N) R(N)
图2 增减法测定疲劳极限试验过程
这样求得的,存活率为50%,欲要求其他存 活率的,可用数理统计方法处理。
(2)S-N曲线的测定百度文库
测定S-N曲线(即应力水平-循环次数N曲 线)采用成组法。至少取五级应力水平,各 级取一组试件,其数量分配,因随应力水平 降低而数据离散增大,故要随应力水平降低 而增多,通常每组5根。升降法求得的,作 为S-N曲线最低应力水平点。然后,以为纵 坐标,以循环数N或N的对数为横坐标,用 最佳拟合法绘制成S-N曲线,如图3所示。
三、疲劳实验机及疲劳试样
1. 疲劳实验机
疲劳试验机有机械传动、液压传动、电磁谐 振以及近年来发展起来的电液伺服等,机械 传动类中又有重力加载、曲柄连杆加载、飞 轮惯性、机械振动等形式,以下简述几种常 用的疲劳试验机。
(1)旋转弯曲疲劳试验机
这种试验机的历史最悠久、积累数据最多,
是一种迄今仍在广泛应用的疲劳试验机设备, 是从模拟轴类工作条件发展起来的。 图4示 出了旋转弯曲疲劳试验机外形图,试样1与 左、右弹簧夹头连成一个整体作为转梁。用 左、右两队滚动轴承四点支承在一对转筒2 内,电动机3通过计数器5、活动联轴节4带 动试样在转筒内转动,加载砝码通过吊杆7 和横梁6作用在转筒2上,从而使试样承受一 个恒弯矩。吊重不动,试样转动,则试样截 面上承受对称循环弯曲应力。当试样疲劳断 裂时,转筒2落下触动停车开关,计数器记 下循环断裂周次N,这样的试验机转速一般 在3000~10000次/min。图中8为加载卸载手 轮。