金属材料疲劳极限的估算
钢结构疲劳计算
目录
• 引言 • 钢结构疲劳计算基础 • 疲劳载荷谱的编制 • 疲劳寿命估算 • 疲劳损伤累积与断裂分析 • 钢结构疲劳计算的工程应用 • 结论与展望
01 引言
疲劳计算的重要性
保证结构安全
疲劳计算是确保钢结构在长期使用过程中保持安全的重要手段，通过计算可以 预测结构在各种载荷下的疲劳损伤，从而采取相应的措施来预防破坏。
07 结论与展望
结论
疲劳计算是钢结构设计中的重要环节，通过合理的计算和 分析，可以预测结构在循环载荷作用下的性能和寿命，为 结构的安全性和经济性提供保障。
疲劳计算的准确性和可靠性取决于多种因素，如载荷类型、 材料特性、结构细节和计算方法等。因此，选择合适的计 算方法和参数是至关重要的。
疲劳计算的结果可以为结构的设计、制造、安装和维护提 供指导，帮助工程师更好地理解和控制结构的疲劳性能。
线性疲劳累计损伤理论
基于S-N曲线，通过线性累计损伤的概念来估算疲劳寿命。
非线性疲劳累计损伤理论
基于S-N曲线，考虑非线性累计损伤效应，更准确地估算疲劳寿命。
05 疲劳损伤累积与断裂分析
疲劳损伤累积模型
线性累积损伤模型
假设疲劳损伤是线性的，即每次循环产生的损伤可以累加，适用于 高周疲劳。
非线性累积损伤模型
损伤力学
将结构视为损伤演化过程，通过分析损伤演化规律来预测结构的断裂 行为。
断裂韧性测试与评估
试样制备
根据标准要求制备试样，确保试样的尺寸、形状和表面处理等符 合要求。
加载制度
根据标准规定的加载制度进行试验，确保试验结果的准确性和可重 复性。
结果评估
根据试验结果计算断裂韧性值，并与标准值进行比较，评估材料的 断裂韧性性能。
金属材料疲劳极限的估算
表 2 结构钢材料的 σr 计算值与实验值比较 Tab. 2 Contrast calculation value of structural steel material σr with experiment test
表 2 列出了几种结构钢材料 r = 0. 1 及 r = 0. 3时的实验值与计算值的比较. 其中 ,σr 的计算 值由式 (3) 获得 ,式 (3) 所用 σ- 1 由式 (1) 计算得 到 ,实验数据来自文献[ 7 ] , Kt 为理论应力集中系
数. 由表 2 可以看出 ,计算值一般比实验值要小 ,
面的研究 1
第 4 期 李海梅等 金属材料疲劳极限的估算 27
计和测试中常用的经验公式有两种[4 ] .
指数函数表达式 :
lg N = A + Blgσ;
(1)
三参数幂函数表达式 :
σ= A + B / Nα.
(2)
三参数幂函数表达式能较好地描述 S - N 曲
材料
16Mn 热轧 45 调质 40Cr 调质
40CrNiMo 调质 60Si2Mn 淬火 后中温回火
表 1 几种金属材料 σ- 1的计算值与实验值[7]的比较 Tab. 1 Contrast calculation value of some metal materialσ- 1 with experiment test
2002 年 12月 第 23 卷 第 4 期
郑州大学学报 (工学版) Journal of Zhengzhou University ( Engineering Science)
7075_T651铝合金疲劳特性研究
第30卷 第4期2010年8月航 空 材 料 学 报J OURNAL OF A ERONAUT ICAL MAT ER I A LSV o l 130,N o 14 A ugust 20107075-T651铝合金疲劳特性研究韩 剑, 戴起勋, 赵玉涛, 李桂荣(江苏大学材料科学与工程学院,江苏镇江212013)摘要:在不同的应力幅值下测试了7075-T651铝合金的疲劳寿命,拟合试验数据得到合金S -N 曲线,估算疲劳极限为223M P a 。
用扫描电镜观察高低应力幅值下的疲劳试样断口,结果表明:合金的加工缺陷或粗大夹杂处往往为裂纹源,裂纹扩展伴随着小平面断裂的发生,高应力幅下疲劳裂纹扩展区出现犁沟和轮胎花样,而低应力幅下的疲劳裂纹扩展区中除有大量疲劳条带外,还出现了疲劳台阶和二次裂纹。
合金的疲劳瞬断区则存在着撕裂棱与等轴韧窝。
弥散分布的微小析出相对合金的疲劳性能有着积极的影响。
关键词:7075-T 651铝合金;S -N 曲线;疲劳断口DO I :1013969/j 1i ssn 11005-505312010141018中图分类号:TG146121 文献标识码:A 文章编号:1005-5053(2010)04-0092-05收稿日期:2009-04-21;修订日期:2009-06-16基金项目:国家863高技术研究项目(2007AA 03Z548)作者介绍:韩剑(1984)),男,硕士研究生,从事高强铝合金组织与性能方面的研究,(E -m a il)han ji an_m oon @yahoo .com .cn通讯作者:戴起勋,男,教授,博士生导师,(E -m ail)qxda i @u j s .edu .cn 。
7075合金是美国较早开发的一种铝合金,是航空航天领域广泛使用的一种轻型结构材料。
近年来,因其强度高、重量轻的特性也在其他领域得到广泛应用,例如攀岩设备及自行车零件都普遍使用7075铝合金[1~4]。
常用的金属材料疲劳极限试验方法
常用的金属材料疲劳极限试验方法疲劳试验可以预测材料或构件在交变载荷作用下的疲劳强度，一般该类试验周期较长，所需设备比较复杂，但是由于一般的力学试验如静力拉伸、硬度和冲击试验，都不能够提供材料在反复交变载荷作用下的性能，因此对于重要的零构件进行疲劳试验是必须的。
MTS 810金属材料疲劳试验的一些常用试验方法通常包括单点疲劳试验法、升降法、高频振动试验法、超声疲劳试验法、红外热像技术疲劳试验方法等。
单点疲劳试验法适用于金属材料构件在室温、高温或腐蚀空气中旋转弯曲载荷条件下服役的情况。
该种方法在试样数量受限制的情况下，可近似测定疲劳曲线并粗略估计疲劳极限。
试验所需的疲劳试验机一般为弯曲疲劳试验机和拉压试验机。
升降法疲劳试验升降法疲劳试验是获得金属材料或结构疲劳极限的一种比较常用而又精确的方法，在常规疲劳试验方法测定疲劳强度的基础上或在指定寿命的材料或结构的疲劳强度无法通过试验直接测定的情况下，一般采用升降法疲劳试验间接测定疲劳强度。
主要用于测定中、长寿命区材料或结构疲劳强度的随机特性。
所需试验机一般为拉压疲劳试验机。
高频振动疲劳试验法常规疲劳试验中交变载荷的频率一般低于200Hz，无法精确测得一些零件在高频环境状态下的疲劳损伤。
高频振动试验利用试验器材产生含有循环载荷频率为1000Hz左右特性的交变惯性力作用于疲劳试样上，可以满足在高频、低幅、高循环环境条件下服役金属材料的疲劳性能研究。
高频振动试验主要用于军民机械工程的需要。
试验装置通常包括：控制仪、电荷适配器、功率放大器、加速度计、振动台等。
超声法疲劳试验超声法疲劳试验是一种加速共振式的疲劳试验方法，其测试频率（20kHz）远远超过常规疲劳测试频率（小于200Hz）。
超声疲劳试验可以在不同载荷特征、不同环境和温度等条件下进行，为疲劳研究提供了一个很好的手段。
嘉峪检测网提醒超声疲劳试验一般用于超高周疲劳试验，主要针对10^9以上周次疲劳试验。
高周疲劳时，材料宏观上主要表现为弹性的，所以在损伤本构关系中采用应力、应变等参量的弹性关系处理，而不涉及微塑性。
5 金属的疲劳
m f b 2 N 2 f m 2 N 1 E b
c
51
5.3.5 缺口零件的疲劳寿命预测
在低周疲劳失效过程中，塑性变形占主导 地位。由Manson－Coffin关系， 计算疲 劳损伤。
p 2
52
2 N
由于这种疲劳中所施加的交变应力水平都处于弹性变形范 围内，所以从理论上讲，试验中既可以控制应力，也可以 控制应变，但在试验方法上控制应力要比控制应变容易得
多。因此，高周疲劳试验都是在控制应力条件下进行的。
高周疲劳以材料最大应力σmax或应力振幅σa和循环断裂寿 命N的关系（即S－N曲线）和疲劳极限σR作为疲劳抗力 的特性和指标。
循环应力－应变曲线是各稳定滞后回线的顶点的连线。σ －ε曲线是材料循环特性的一个重要标志。图5.25所示是 其测定的图示法。
Manson等人根据大量试验结果，归纳出预测材料发生循 环硬化或软化的判据是一次抗拉强度σb对σ0.2的比值：当
σb/σ0.2>1.4时，材料发生硬化；当σb/σ0.2<1.2时，材料发
5 金属的疲劳
现代设计与分析研究所 何雪浤
1
5 金属的疲劳
金属在循环载荷作用下，即使所受的应力低于屈服 强度，也会发生断裂，这种现象称为疲劳。
疲劳失效是构件的主要失效形式。
疲劳研究的主要目的
①精确地估算机械零件和工程结构的构件的疲劳寿命，简 称定寿，保证在服役期内零构件不会发生疲劳失效； ②采用经济而有效的技术和管理措施以延长疲劳寿命，简
以图5.23为例，循环硬化和软化反映在滞后回线的变化分
别如图5.24（a）和图5.24（b）所示。
金属疲劳试验
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)，即建立最大应力σmax 或应力振幅σα与其相应的断裂循环周次N之间的关系曲线。
不同金属材料的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。
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。
因此将水平部分所对应的应力称之为金属的疲劳极限，用符号σR 表示(R为最小应力与最大应力之比，称为应力比)。
若试验在对称循环应力(即R=-1)下进行，则其疲劳极限以σ-1表示。
中低强度结构钢、铸铁等材料的S-N曲线属于这一类。
对这一类材料在测试其疲劳极限时，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：()11n R N i i i v m σσ==∑ 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。
疲劳分析方法
疲劳寿命分析方法摘要：本文简单介绍了在结构件疲劳寿命分析方法方面国内外的发展状况, 重点讲解了结构件寿命疲劳分析方法中的名义应力法、局部应力应变法、应力应变场强度法四大方法的估算原理。
疲劳是一个既古老又年轻的研究分支，自Wohler 将疲劳纳入科学研究的范畴至今，疲劳研究仍有方兴未艾之势，材料疲劳的真正机理与对其的科学描述尚未得到很好的解决。
疲劳寿命分析方法是疲分研究的主要内容之一，从疲劳研究史可以看到疲劳寿命分析方法的研究伴随着整个历史。
金属疲劳的最初研究是一位德国矿业工程帅风W.A.J.A1bert 在1829 年前后完成的。
他对用铁制作的矿山升降机链条进行了反复加载试验，以校验其可靠性。
1843 年，英国铁路工程师W.J.M.Rankine 对疲劳断裂的不同特征有了认识，并注意到机器部件存在应力集中的危险性。
1852 年-1869 年期间，Wohler 对疲劳破坏进行了系统的研究。
他发现由钢制作的车轴在循环载荷作用下，其强度人大低于它们的静载强度，提出利用S-N曲线来描述疲劳行为的方法，并是提出了疲劳“耐久极限”这个概念。
1874年，德国工程师H.Gerber 开始研究疲劳设计方法，提出了考虑平均应力影响的疲劳寿命计算方法。
Goodman讨论了类似的问题。
1910年，O.H.Basquin提出了描述金属S-N曲线的经验规律，指出：应力对疲劳循环数的双对数图在很大的应力范围内表现为线性关系。
Bairstow 通过多级循环试验和测量滞后回线，给出了有关形变滞后的研究结果，并指出形变滞后与疲劳破坏的关系。
1929年B.P.Haigh研究缺口敏感性。
1937年H.Neuber 指出缺口根部区域内的平均应力比峰值应力更能代表受载的严重程度。
1945 年M.A.Miner 在J.V.Palmgren 工作的基础上提出疲劳线性累积损伤理论。
L.F.Coffin 和S.S.Manson 各自独立提出了塑性应变幅和疲劳寿命之间的经验关系，即Coffin —Man son公式，随后形成了局部应力应变法。
材料的疲劳性能
图5－11
2020/5/4
● 三、 过载持久值及过载损伤界 ●研究意义： ●过去人们一直认为，承受交变载荷作用的机件
按-1确定许用应力是安全的，但是没有考虑特
殊情况。实际上，机件在服役过程中不可避免 地要受到偶然的过载荷作用，如汽车的急刹车、 突然启动等。还有些机件不要求无限寿命，而 是在高于疲劳极限的应力水平下进行有限寿命 的服役。在这些情况下，仅依据材料的疲劳极 限是不能全面准确评定材料的抗疲劳性能的， 所以我们要了解过载持久值和过载损伤界。
2020/5/4
规则周期变动应力（循环应力） 无规则随机变动应力
变动应力如图5－1 所示。
生产中机件正常工作 时，其变动应力多为循 环应力，实验室也容易 模拟，所以研究较多。
应力大小变化
应力大小、方向无规则变化
应力大小、方向都变化
2020/5/4
图5－1 变动应力示意图
σ
r=0 r=–1
r=–∞
1 1
2
2
8
3
3 5 7 9
4
46
5
6
10 12 14
11 13
水平下进行，如图5－8所示。
图5－8 升降法测定疲劳极限示意图
原则是：凡前一个试样达不到规定的循环周次就断裂(用
表示)，则后一个试样就在低一级应力水平下进行试验；若
前一个试样在规定循环周次下仍然未断(用 表示)，则后一个
试样就在高一级应力水平下进行，如此得到13个以上的有效
●本章主要介绍:
● 金制 属。 疲介 劳绍 的估 基算 本裂 概纹 念形 和成 一寿 般命 规的 律方 。法 疲。 劳 失 效 的 过 程 和 机
2020/5/4
第一节疲劳破坏的一般规律
疲劳曲线和疲劳极限
金属材料与热处理课程
疲劳曲线和疲劳极限
主讲教师：邵康宸 西安航空职业技术学院
职业教育材料成型与控制技术专业教学资源库
疲劳曲线和疲劳极限
疲劳曲线，即交变应力与断裂前的循环次数N之间的关 系。
对于一种材料，根据实验，可得出在各种循环作用次数 N下的极限应力，以横坐标为作用次数N、纵坐标为极限 应力绘成曲线，则称材料的疲劳曲线，或称S-N曲线。
钢铁材料：N=106次 有色金属：N=107次
循环次数N 疲劳曲线
金属材料与热处理
职业教育材料成型与控制技术专业教学资源库
钢铁材料：N=106次 有色金属：N=107次
疲劳曲线
循环次数N
当零件所受的应力低于某一值时，即使循环周次无穷多 也不发生断裂，称此应力值为疲劳强度或疲劳极限。
7B50 铝合金板材疲劳极限强度及S-N 曲线的测定
用升降法和成组法测定试样的中值疲劳强度和 S-N 曲线。
1 试验材料及目的
试验用料为东轻公司生产的厚度为 76.2mm 的 7B50T7751 合金板材，其常温性能数据见表 1。将 该合金板材加工成直径为 ϕ 7mm 的光滑圆棒形螺 纹试样，试样方向为 L-T，应力集中系数为 Kt=1， 见图 1。本试验的目的为选取同种规格的试样，按 照 《金属材料轴向加载疲劳试验方法》 的规定，采ຫໍສະໝຸດ · 27 ·《铝加工》
2017 年第 3 期总第 236 期
技术工程
3 试验条件
表 3 升降法试验数据 （指定寿命 N0=107）
（1） 试验应力比 R 为 0.06，初始最大应力为
最大应力 σmax/MPa
疲劳寿命 N （×104周）
lgN
χˉ
400MPa，规定循环周次 1.00×107 次；（2） 该试验 在室温下进行，室温为 10℃～35℃；（3） 试验用
0前言近年来本公司生产的航空航天用铝合金材料对疲劳寿命的要求越来越高本文主要针对航天用7b50合金厚板的高周疲劳强度进行探讨与研究摸索材料的sn疲劳寿命曲线的绘制方法测定出关键材料7b50合金板材的疲劳寿命曲线并为今后其它关键材料的疲劳极限寿命测定提供经验及依据
《铝加工》
2017 年第 3 期总第 236 期
的，则所有试验点都能配成对子，这时中值疲劳强
度或疲劳极限的估计量σ50 为：
σ
５０=
（ｎ１＊）ｉｍ=＊１Ｖｉ＊σ
＊ ｉ
（2）
式 中 ： n*为配成的对子总数；m*为配成对子的级
数，为升降法数减 1，即 m*=m-1；σi* =(σi+σi+1)/2；
Vi*为相邻两级配成的对子数。
铝合金疲劳极限 简单估算
铝合金疲劳极限简单估算1. 引言1.1 铝合金疲劳极限的定义铝合金疲劳极限是指在循环载荷作用下，铝合金材料发生疲劳破坏的极限应力水平。
疲劳极限是材料抗循环载荷疲劳破坏能力的一个重要参数，对于铝合金材料的耐久性能具有重要的指导意义。
铝合金疲劳极限受多种因素的影响，包括材料本身的组织结构、加载方式、载荷频率等。
研究铝合金疲劳极限不仅可以帮助我们了解材料在实际工程应用中的寿命及安全性，还可以指导工程设计和材料选择，提高产品的可靠性和使用寿命。
在实际工程中，准确估算铝合金疲劳极限是至关重要的。
通过合理选择试验方法和建立适当的模型，可以对铝合金疲劳极限进行简单而有效的估算。
这对于提高产品的安全性和可靠性具有重要意义。
深入研究铝合金疲劳极限的定义及影响因素，探讨简单的估算方法，并通过实验验证和案例分析，对于进一步提高铝合金材料的应用性能和开发新型铝合金产品具有重要意义。
1.2 研究意义铝合金疲劳极限的研究意义在于深入了解铝合金在长期应力加载下的性能表现，从而为工程设计和材料选择提供依据。
通过研究铝合金疲劳极限，可以评估材料在实际工程应用中的可靠性和安全性，从而设计出更加耐久和可靠的产品。
研究铝合金疲劳极限还可以为材料工程领域提供新的理论基础和方法，推动材料科学的发展。
通过深入研究铝合金疲劳极限，可以提高材料的使用效率，延长材料的使用寿命，减少资源的浪费，对节能环保具有积极的意义。
铝合金疲劳极限的研究意义重大，对提高材料的性能和推动材料科学的发展具有重要的意义。
2. 正文2.1 铝合金的基本特性铝合金是一种广泛应用于工业领域的金属材料，具有许多独特的特性。
铝合金具有较高的强度和硬度，即使在高温下也能保持较好的性能。
铝合金具有良好的抗腐蚀性能，能够在恶劣环境中长期保持稳定。
铝合金的密度较低，具有较轻的重量，有利于在产品设计中降低整体重量。
铝合金具有良好的可塑性和加工性，能够通过各种加工方法制造出复杂形状的产品。
材料的疲劳强度解读
?零件或结构疲劳失效以前所经历的应力或应变循环次数， 用N 表示。
? 疲劳破坏的特征
?应力水平低。交变应力远小于材
料的强度极限或屈服极限。
? max ?? ? b 或者 ? s
?脆性断裂。不论是脆性材料还是
塑性材料，疲劳断裂在宏观上都表 现为没有明显塑性变形的突然断裂。
更具突然性，更危险
次循环失效时的最大应力作为条件疲劳极限。
? 疲劳极限的表示方法
? 对t-1 称弯曲疲劳极限：σ-1；对称拉压疲劳极限： σ-1t；对称扭转疲劳极限：
? 其中下标“-1”表示应力比R=-1 ? 因对称弯曲实验最方便，一般以对称弯曲疲劳极限来表示材料的基本疲劳
性能。 ? 对称弯曲疲劳极限一般与旋转弯曲下的疲劳极限接近，一般不加区别。
横坐标,描点、连线,得到相当
于 ? m (或R)下的S-N曲线
? 对任何一条S-N曲线,应明确以下内容:
? 材料牌号;种类(棒材\板材);循环比R;有无应力集中,Kt值;试验机\加 载频率\环境.
? 坐标系.横坐标为对数寿命;纵坐标为应力,对数坐标或笛卡儿坐标.
? 试验点.分布在曲线两侧,一般用50%的中值寿命S-N曲线.
? 对于纯金属和单相金属的疲劳裂纹萌生方式多为滑 移开裂 .
? 滑移开裂的过程 : 循环载荷->薄弱晶粒间沿晶面产生塑性应变 ->晶粒 产生滑移(不可恢复)->金属表面产生滑移线 ->滑移 线随循环次数增加汇集成表面滑移带 ->发展成驻留 滑移带 ->形成裂纹
裂纹萌生方式之二:晶界和孪晶界开裂
? 对于密排六方晶系 ,因滑移较少 ,当滑移困难时 ,孪晶 变形较为常见 .例如:铋,锆,锑,铜,锌,金,铁等金属.
金属材料的疲劳极限标准
金属材料的疲劳极限标准1. 引言1.1 疲劳极限的定义疲劳极限是指金属材料在受到交变应力作用下所能承受的疲劳载荷的极限值。
疲劳极限与金属材料的抗疲劳性能密切相关，是评价金属材料抗疲劳性能的重要指标之一。
疲劳极限通常用应力水平表示，即在特定的应力幅值下，金属材料经过一定次数的循环载荷后出现裂纹和破坏的应力值。
疲劳极限是金属材料在实际工程中使用时需要考虑的重要参数，对于确保金属部件在长期使用过程中不会因为疲劳破坏而影响工作安全具有重要意义。
疲劳极限的测定需要进行大量的实验研究和数据分析，以确保结果的准确性和可靠性。
金属材料的疲劳极限还受到多种因素的影响，如材料的化学成分、热处理工艺、表面处理等，需要综合考虑这些因素才能准确评估金属材料的疲劳性能。
1.2 金属材料的疲劳极限金属材料的疲劳极限是指在连续循环加载下，金属材料所能承受的最大变形次数或载荷幅度。
对于金属材料来说，疲劳极限是一项至关重要的性能指标，它直接影响着材料在实际工程中的可靠性和安全性。
金属材料的疲劳极限可以通过实验测试来确定，通常采用旋转弯曲、拉伸、扭转等不同加载方式进行试验。
通过对金属材料进行疲劳测试，可以得到不同载荷条件下的疲劳曲线，从而确定材料的疲劳性能和疲劳寿命。
金属材料的疲劳极限受多种因素影响，包括材料的化学成分、晶粒结构、微观缺陷等。
对于不同类型的金属材料，其疲劳极限标准也有所不同，因此在工程设计和材料选择过程中，需要根据具体的应用要求来确定合适的金属材料及其疲劳极限要求。
疲劳极限的重要性在于可以帮助工程师评估材料的使用寿命和安全性，从而设计出更加可靠和耐久的工程结构。
研究金属材料的疲劳极限标准对于提高材料的抗疲劳性能和延长材料的使用寿命具有重要意义。
2. 正文2.1 金属材料的疲劳损伤金属材料在受到循环载荷作用时，会产生疲劳损伤。
这种损伤是由于金属内部的微观缺陷在受力的作用下逐渐扩展，最终导致材料的破坏。
疲劳损伤的形式主要有裂纹的扩展和表面损伤两种。
国内外金属材料低周疲劳试验标准对比
国内外金属材料低周疲劳试验标准对比《国内外金属材料低周疲劳试验标准对比》一、引言金属材料在工程领域中具有广泛的应用，而金属材料的疲劳性能一直是工程设计和材料研究的重要课题之一。
低周疲劳是指在较低应力下进行的疲劳试验，对于金属材料的使用寿命和安全性具有重要意义。
在国内外，针对金属材料低周疲劳性能的测试标准各有不同，本文将就国内外金属材料低周疲劳试验标准进行对比，以便于更全面地了解不同标准的优劣和适用范围。
二、国内金属材料低周疲劳试验标准概述1. GB/T 3077-2015《合金结构钢技术条件》GB/T 3077-2015是我国针对合金结构钢制定的技术条件标准，其中包括了对合金结构钢低周疲劳性能的测试方法和要求。
该标准以静载荷下的疲劳极限为评定指标，适用于常见的合金结构钢材料，但对于特殊合金材料的测试要求较为局限。
2. GB/T 25972-2010《金属材料低周疲劳试验方法》GB/T 25972-2010是我国金属材料低周疲劳试验方法的标准，对于金属材料在低周疲劳条件下的试验方法和评定要求做出了详细规定。
该标准涵盖了多种金属材料，但对于不同类型金属材料的测试方法和评定标准并不具体化，适用范围相对较窄。
三、国外金属材料低周疲劳试验标准概述1. ASTM E606-92《Standard Test Method for Strain-Controlled Fatigue Testing》ASTM E606-92是美国材料和试验协会制定的一项低周疲劳试验标准，该标准以应变控制的疲劳试验为基础，着重于金属材料在低周疲劳条件下的耐久性能测试。
相较于国内标准，ASTM E606-92更为全面和具体，对不同类型的金属材料和应变控制方式都有详细规定。
2. BS 3518-2018《Determination of low-cycle fatigue properties of metallic materials》BS 3518-2018是英国标准协会发布的一项关于金属材料低周疲劳性能测试的标准，覆盖了多种金属材料的低周疲劳性能测试方法和评定标准。
常见的金属材料高温疲劳-蠕变寿命估算方法
常见的⾦属材料⾼温疲劳-蠕变寿命估算⽅法在⼯程上，许多结构部件长期运⾏在⾼温条件下，如⽕⼒发电设备中的汽轮机、锅炉和主蒸汽管道，⽯油化⼯系统中的⾼温⾼压反应容器和管道，它们除了受到正常的⼯作应⼒外，还需承受其它的附加应⼒以及循环应⼒和快速较⼤范围内的温度波动等作⽤，因此其寿命往往受到蠕变、疲劳和蠕变-疲劳交互作⽤等多种机制的制约。
疲劳-蠕变交互作⽤是⾼温环境下承受循环载荷的设备失效的主要机理，其寿命预测对⾼温设备的选材、设计和安全评估有⼗分重⼤的意义，⼀直是⼯程界和学术界⽐较关⼼的问题，很多学者提出了相应的寿命预测模型。
本⽂对常见的寿命估算⽅法进⾏简单的介绍。
”寿命-时间分数法对于疲劳-蠕变交互作⽤的寿命估算问题主要采⽤线性累积损伤法，⼜叫寿命-时间分数法。
寿命时间分数法认为材料疲劳蠕变交互作⽤的损伤为疲劳损伤和蠕变损伤的线性累积，如下式所⽰：其中Nf为疲劳寿命，从ni为疲劳循环周次，tr为蠕变破坏时间，t为蠕变保持时间。
该⽅法将分别计算得到的疲劳损伤量和蠕变损伤量进⾏简单的相加，得到总的损伤量，计算⼗分简单，不过需要获得相应温度环境下纯蠕变和纯疲劳的试验数据。
由于该⽅法没有考虑疲劳和蠕变的交互作⽤，其计算结果和精度较差。
为了克服不⾜，提⾼计算精度，研究⼈员提出了多种改进形式。
例如谢锡善的修正式如下：Lagneborg提出的修正式如下：上述式⼦中，n为交互蠕变损伤指数，1/n为交互疲劳损伤指数，A、B为交互作⽤系数。
两个修正表达式均增加了交互项，可以⽤来调整累积损伤法的预测结果和实验结果之间误差，极⼤地提⾼了预测结果的可靠性。
频率修正法(FM法)及频率分离法(FS法)⽬前，⼯程上⼴泛使⽤的疲劳-蠕变寿命估算⽅法⼤多数都是基于应变控制模式的估算⽅法。
频率修正法是Coffin提出来的，认为低周疲劳中主要损伤是由塑性应变所引起的，Eckel在此基础上提出以下公式：式中：tf为破坏时间，K为依赖温度的材料常数，ϑ为频率，Δεp为塑性应变范围。
金属材料的疲劳性能
金属材料的疲劳性能金属材料是工程中应用最广泛的一类材料，因其优良的力学性能、良好的加工性和广泛的适用性而受到青睐。
然而，在实际应用中，金属材料往往需要承受周期性的载荷，这种条件下的失效主要表现为疲劳破坏。
因此，了解金属材料的疲劳性能，对提高产品的可靠性与安全性具有至关重要的意义。
疲劳的基本概念疲劳是指材料在反复或交变载荷作用下，经过一定的循环次数后，出现的逐渐积累损伤并导致破坏的现象。
疲劳破坏通常是由微小的裂纹开始，在多次循环加载下逐步扩展，最终导致材料的断裂。
疲劳破坏与静态强度无直接关系，且其发生往往是在较低于材料屈服强度和抗拉强度的荷载下进行，表明这是一种特殊的破坏模式。
疲劳寿命疲劳寿命一般用于描述材料在特定载荷和环境条件下能承受多少次循环而不发生破坏。
通常我们用以下两个指标来表征疲劳寿命：循环次数（Nf）：这是指在出现疲劳破坏之前材料所能承受的加载循环次数。
疲劳极限（σf）：对于大多数金属材料，存在一个应力水平（称为疲劳极限），低于这个水平时材料即使经过无限次循环也不会发生疲劳破坏。
值得注意的是，并非所有金属都具有明显的疲劳极限，如铝合金等常见金属，其 fatigue limit 不易确定。
疲劳性能影响因素影响金属材料疲劳性能的因素包括但不限于以下几个方面：材料成分金属材料中的化学成分对其疲劳性能有明显影响。
例如，合金元素如镍、钼、铬等可以显著提高钢材的抗疲劳性能。
适当增加合金元素的比例，使得金属晶体结构更加稳定，从而提高了其疲劳强度。
此外，非金属杂质（如硫、磷等）的存在，则会降低材料的疲劳性能。
材料组织材料的微观组织结构直接决定了其机械性能。
在热处理过程中，通过控制冷却速度和温度，可以改变金属材料的相组成与晶粒尺寸，从而优化组织，提高疲劳性能。
例如，细化晶粒可以显著提高金属件的抗疲劳能力。
调质处理后的钢材，相较于退火状态下，会表现出更高的抗疲劳能力。
应力集中在实际使用中，构件往往因为几何形状的不均匀性（如凹坑、切口、焊缝等）而产生应力集中现象。
疲劳与寿命评估技术
9.3疲劳与寿命评估技术1.疲劳基础疲劳研究拥有120多年的漫长历史，在此段时间内取得了显着进展。
然而，直至今天似乎没有终止由于疲劳的事故发生。
这意味着，由于一些因素干预对疲劳性能的影响是巨大的，在长时期将需要充分体现。
此外，新问题出现在新材料的使用和环境变化。
鉴于此，疲劳研究可以理所当然地被称为基础研究。
疲劳的基本机制是细裂缝不断展开和生长由于重复的负载而导致破裂。
宏观结构发生变化，譬如疲劳的基本机制是微裂纹不断展开了，在任何情况，较大的疲劳塑性变形都是的周期，但是没有宏观的结构变化发生在高周期疲劳中，其中只有轻微的塑性变形发生。
此外，高对缺陷是疲劳的另一种特性。
即使微小的缺陷，在静态拉伸测试中，也是影响疲劳的一个因素。
有许多因素影响金属材料的疲劳性能，如冶金因素，外形尺寸因素，使用环境条件，等等。
在这里，我将重点的解释冶金因素的影响。
也就是说，我们将证明金属材料在室温的氛围的一些标准疲劳性能。
2.疲劳强度的评估大致对影响疲劳性能的冶金因素分类，这些可以被划分成结构和静态力量。
当然，这两者是相互关联的，当评估疲劳强度时主要针对金属静态强度。
例如，钢铁材料的疲劳极限σw与抗拉强度σb和维氏硬度HV有关系。
在这里，疲劳极限是指到了极限应力在疲劳断裂而不会发生重复，即使它是一个无限循环，在循环疲劳试验中确定了次数高达10000000。
此外，不仅是疲劳极限，但也是有限的使用寿命展现了维氏硬度和抗拉强度的关系方程，可以通过坐标图表现，是有可能的总结多种材料的S—N曲线不同的静态优势。
可以采用这种标准化的S—N曲线估计有限使用寿命或疲劳寿命。
其中，面积（微米）是轴向平方根缺陷的投影面积的。
在缺陷存在情况下，材料分子系数由1.43成为1.56 。
上述内容表现出材料的疲劳极限。
另一方面，许多金属材料不表现出的疲劳极限。
例如, 在高强度钢疲劳强度消失的情况下，即表现出了钢铁材料的疲劳极限。
图9.3.1显示材料的拉伸强度和疲劳强度之间的关系，但是式(1)高估疲劳极限的情况出现在抗拉强度在1,200 兆帕以上的钢。
金属材料疲劳极限估算的多参数经验公式
条件下的 D 值, 因此这种简单估算式的适用范围是很
有限的。此外, - 1 b 的浮动范围亦稍嫌大。但是这些
20080304 收到初稿, 20090216 收到修改稿。 马少俊, 男, 1978 年 6 月生, 甘肃省平凉市人, 回族。工程师, 研究方向为疲劳断裂、寿命预测。
994
机
械
强
度
2010 年
1 经验公式的提出和表述
以往的研究[ 1] 91 93[2] 32 35 表 明, 材料在循 环周次为 107 下的光滑对称弯曲疲劳极限 - 1 与抗拉强度 b 存
在较好的相关性, 因而在一定程度上可 以用 b 估算
- 1 , 并称 - 1 b 为材料的疲劳比。表 1 中给出一些金 属材料的疲劳比。文献[ 2] 32 35 中给出求解结构钢 - 1
表 1 部分金属材料的疲劳比[1]91 93 Tab 1 The - 1 b value for som e met al m at er ials[1]91 93
材料 Mat erials
钢 St eel 铸铁 Cast iron 铝合金 Aluminum al loy 镁合金 Magnes ium alloy 铜合金 Copper al loy 镍合金 Nickel alloy 钛合金 Titanium alloy
D MPa
相对误差 % Rel ative error %
1Cr15Ni4Mo3N 棒材 Bar
1 040
1 379
579
507. 5
12. 4
490. 2
15. 3
1Cr15Ni4Mo3N
1 041
1 410
470
518. 9
10. 4
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收稿日期 :2002 - 09 - 10 ;修订日期 :2002 - 10 - 20 基金项目 :河南省自然科学基金资助项目 (004060400) ;河南省青年骨干教师基金资助项目 作者简介 :李海梅 (1969 - ) ,女 ,辽宁省沈阳市人 ,郑州大学副教授 ,博士 ,主要从事橡塑材料成型及模具设计优化方
表 2 列出了几种结构钢材料 r = 0. 1 及 r = 0. 3时的实验值与计算值的比较. 其中 ,σr 的计算 值由式 (3) 获得 ,式 (3) 所用 σ- 1 由式 (1) 计算得 到 ,实验数据来自文献[ 7 ] , Kt 为理论应力集中系
数. 由表 2 可以看出 ,计算值一般比实验值要小 ,
即计算值比实验值偏于保守 ,这在实际应用中 ,考 虑到安全的需要是应该的 ,说明用计算方法求得 σ- 1并以此为已知量求解σr 是可行的.
表 2 结构钢材料的 σr 计算值与实验值比较 Tab. 2 Contrast calculation value of structural steel material σr with experiment test
629
2 23. 84 - 7. 33 198. 32 239 - 17. 02 431
40CrNiMo 调质
1 32. 64 - 9. 84 402. 54 498 - 19. 17 805 972
2 24. 49 - 7. 39 233. 26 336 - 30. 43 490
60Si2Mn 淬
377
2 24. 06 - 7. 81 153. 27 170 - 9. 84 327
45 调质
1 35. 48 - 12. 08 227. 70 389 - 41. 47 436 735
2 21. 97 - 6. 86 151. 66 212 - 28. 94 334
40Cr 调质
1 23. 95 - 6. 88 291. 00 422 - 31. 04 940
比 , f = σ- 1/σb ,σ- 1 为对称循环下材料的疲劳极 限 ,σb 为材料静抗拉强度极限 ; n 为材料常数 ,与
f 有关 , n = 1/ ( cf ) ( c 为待定系数) .
丁氏公式有如下优点 : ①以循环特征 r 为显 函数来描述疲劳极限随 r 的变化规律 , 其物理意 义明确直观 , 易于人们理解和接受 , 且计算简便 ; ②估算公式中引入参数疲劳比 f = σ21/σb , 其中 , σb 可以采用标准光试样的静抗拉强度 ,也可以采
1 对称疲劳极限 σ- 1及非对称循环疲劳极 限 σr 的估算
σ- 1和 σr 都可以通过实验来得到 , 但是实验 操作困难 ,费用昂贵 ,特别是σr 实验 , 对应不同的 r 值 ,需要做很多组实验. 因此如何通过估算就可 以获得具有一定精度的 σ- 1及 σr , 对工程应用来 说就显得尤为重要. 而要估算 σr 就应该先知道 σ- 1的值. 1. 1 获取 σ- 1
金属疲劳破坏是结构及机械零部件失效的主 要形式 ,如各种发动机曲轴 、主轴 、转子 、齿轮 、叶 片 、钢轨 、轴承等 ,85 %以上的破坏属疲劳破坏[1] . 因此 ,金属疲劳性能的研究一直是研究的热点.
多年来 ,国外学者一直在从事金属疲劳性能 数据与模型化关系研究[2 ,3] . 以 S - N 曲线 (应力 - 循环曲线) 为例 ,传统的数学模型主要是“幂函 数模型”和“指数函数模型”[4] ,用对数坐标可得到 线性系列 ;根据数理统计理论 ,文献 [ 5 ]中给出的 两个模型 ,较好地解决了数值算法中的收敛问题. 国内在“六五”、“七五”期间用实验方法测试了大 量的结构钢 、铝合金试样的疲劳实验数据[6 ,7] ,但 数据分析的工作较少 ,对工程实际应用的指导作 用有限. 现阶段 ,丁遂栋[8～12] 用解析方法对非对 称循环疲劳极限的估算进行了研究 ,取得了较好 的研究成果.
面的研究 1
第 4 期 李海梅等 金属材料疲劳极限的估算 27
计和测试中常用的经验公式有两种[4 ] .
指数函数表达式 :
lg N = A + Blgσ;
(1)
三参数幂函数表达式 :
σ= A + B / Nα.
(2)
三参数幂函数表达式能较好地描述 S - N 曲
本文侧重实用性的研究 ,以解决实验操作困 难 、费用昂贵 、数据偏少等问题. 通过几个模型的 比较 ,采用收敛快 、精度高且简便的丁氏计算方 法[8～12]以保证方便 、快捷地获取金属材料的等寿 命曲线. 在计算过程中 ,说明了丁氏公式各参数的 确定方法 ,并比较了计算数据与实验数据二者的 吻合程度 ,并以 AUTOLISP 绘制了等寿命图 ,以进 一步预测金属材料的寿命 ,具有积极的工程意义.
对 L Y12CZ , L Y12B ( CZ) , L Y12CS , LC9 , LC4 (CS) 五种具有代表性的铝合金材料光试样在不 同寿命 、不同应力比 r 下σrN的实验值和计算值分 别在 c = 1. 55 ,1. 60 ,1. 65 ,1. 70 时进行比较. 判断 c 值优劣的原则是 :误差Δ Φ ±10 %时 ,认为符合 得较好.
σ- 1计算值/
σ- 1实验值/
Kt
A
B
MPa
MPa
1
37. 80
- 12. 74
261. 45
298
2
24. 06
- 7. 81
153. 27
170
1
35. 48
- 12. 08
227. 70
389
2
21. 97
- 6. 86
151. 691. 00
422
2
23. 84
总体说来 ,现阶段对材料疲劳性能及模型化 关系的研究存在如下问题 :疲劳性能的研究多属 实验模拟 ,数值分析技术较少. 因此 ,减少实验数 量 ,突出数值技术是疲劳研究亟待解决的问题.
就模型化关系研究而言 ,现有模型多是根据 力学约束和统计约束拟合的 ,对结构 、环境 、表面 状况等与疲劳极限关系的研究较少 ,并或多或少 存在精度低与数据不足的问题.
李海梅 , 宋 刚 , 刘永志
(郑州大学材料工程学院 ,河南 郑州 450002)
摘 要 : 金属材料疲劳极限通常是用众多的试验结论测试拟合得出的 ,需要高昂的费用 ,且有时无法用 试验获得特殊工况下的数值. 给出一个估算非对称循环疲劳极限 σr 的简便计算方法 ,可利用有限的数 据 ,确定材料的疲劳极限 ,减少试验次数 ,降低试验条件的要求. 在确定了疲劳极限值和静抗拉强度极限 后 ,利用丁氏公式 ,用 AUTOLISP 实现了等寿命曲线图的绘制 ,讨论了拟和公式中各参数的确定方法 ,并 对拟和结果和实验数据进行了比较. 结果表明 ,该方法所得结果与试验结果吻合较好 ,且绘制疲劳曲线 方便 、快捷. 关键词 : 疲劳极限 ; S - N 曲线 ; 估算公式 中图分类号 :TG 146. 23 ;TH 142. 2 文献标识码 : A
线 ,但求解参数的工作量较大. 在实际工作中 ,由
于指数函数表达式中参数可以很方便地通过手册
查到 ,并具有一定的精度 ,因此本文采用式 (1) 来 求取 σ- 1 .
用式 (1) 拟合得到的 σ- 1与实验值比较的结 果如表 1 所示. 表中 ,σ- 1计算值是式 (1) 中 N 取 107 MPa 时的 σ值 ;σ- 1实验值是文献 [ 7 ]的数据 ; Kt 是理论应力集中系数.
通过计算分析 ,得到如下结论 :对于铝合金光 试样 , c = 1. 65 时计算结果与实验结果符合得更 好 ,而铝合金缺口试样 c = 1. 45 时计算结果与实
28 郑 州 大 学 学 报 ( 工 学 版 ) 2002 年
验结果符合得较好. 对结构钢光试样 , c = 1. 66 ;结 构钢缺口试样 , c = 2. 16.
CepeHceH 折线方程. 但因为其参数获取困难 ,不
方便于工程应用 ,从数据获取难易程度的角度 ,选
取丁氏的估算公式[8～12 ] :
σr = { f + (1 - f ) [ (1 + r) / 2 ] n}σb ,
(3)
式中 :σr 为应力比为 r 的交变应力中最大应力的 极限 值 ; r 为 循 环 特 征 ( 应 力 比) , r = σmin/σmax , σmin ,σmax分别为最小 、最大应力 ; f 为材料的疲劳
代表性的有格伯 ( Gerber) 抛物线方程 、索德倍尔格
(Soderberg) 直线方程 、古德曼 ( Goodman) 直线 方
程 、谢联先 (CepeHceH) 折线方程 、莫茹 (Morrow) 直
线方程 、丁遂栋提出的估算公式等[2 ,4 ,6～12 ] . 在疲
劳设计中 , 使用较多的是 Goodman 直线 方 程 和
2002 年 12月 第 23 卷 第 4 期
郑州大学学报 (工学版) Journal of Zhengzhou University ( Engineering Science)
文章编号 :1671 - 6833 (2002) 04 - 0026 - 04
金属材料疲劳极限的估算
Dec. 2002 Vol. 23 No. 4
用疲劳光试样的静抗拉强度 ,对疲劳极限估算无 影响 ; ③用估算公式计算疲劳极限 ,只需知道材料 对称循环下的疲劳极限 σ- 1和静抗拉强度 σb , 而 不要求知道测量相对困难的脉动循环疲劳极限 σ0 ,克服了 CepeHceH 方程没有 σ0 就无法应用的 缺点.