详尽金属力学性能及其试验（疲劳试验）

4.1 概述

工程中很多机件和构件都是在变动载荷下工作，如曲轴、连杆、齿轮、弹簧、辊子、叶片及桥梁等，其失效形式主要是疲劳断裂。

疲劳是指机件和构件在服役过程中，由于承受变动载荷而导致裂纹萌生和扩展以致断裂失效的全过程。变动载荷是引起疲劳破坏的外力，是指载荷大小甚至方向均随时间变化的载荷，其在单位面积上的平均值为变动应力。变动应力分为循环应力和无规则随机变动应力。循环应力的波形有正弦波、矩形波和三角形波等。

疲劳的特点：疲劳是具有寿命的断裂，其断裂应力水平往往低于材料抗拉强度，甚至低于屈服强度；疲劳是脆性断裂（突发性）；对缺陷（缺口、裂纹及组织缺陷）十分敏感。

在载荷下进行试验以提供材料或零部件的某种疲劳数据的试验称为疲劳试验。疲劳试验按失效循环次数可分为高周疲劳试验和低周疲劳试验。高周疲劳试验以应力为基本控制参数，低周疲劳试验以应变为基本控制参数。疲劳试验按载荷和环境可分为室温疲劳试验、高温疲劳试验、低温疲劳试验、热疲劳试验、腐蚀疲劳试验、接触疲劳试验和冲击疲劳试验。

4.2 疲劳断口

疲劳断裂经历了裂纹萌生和扩展过程。由于应力水平较低，因此具有较明显的裂纹萌生和稳态扩展阶段，疲劳断裂的宏观断口一般由三个区域组成，即疲劳裂纹产生区（裂纹源）、裂纹扩展区和*后断裂区。

疲劳裂纹扩展速率曲线

I区：裂纹初始扩展阶段，10^-8~10^-6mm/周次，快速提高，但△K变化范围很小所以提高有限；

II区：裂纹扩展主要阶段，10-5~10-2mm/周次，da/dN~△K呈幂函数关系，△K变化范围很大，扩展寿命长。

Ⅲ区：裂纹扩展*后阶段，da/dN很大，并随△K增加而很快地增大，只需扩展很少周次即会导致材料失稳断裂。

是裂纹亚稳扩展形成的区域；断口比较光滑并分布有贝纹线（或海滩花样），有时还有裂纹扩展台阶；贝纹线是载荷变动引起的，贝纹线是一簇以裂纹源为圆心的平行弧线，近源处则贝纹线距越密，远离源处则贝纹线距越疏。

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。

试验设备：弯曲疲劳试验机、抗压试验机。

试样要求：（1）试样数量为8~10根；试样尺寸要求*小截面直径d一般取6，7.8，9mm，偏差小于0.005d。

试样形状示意图

试验步骤：（1）安装试样；（2施加载荷P（一般是根据材料的抗拉强计算出应该施加的载荷大小P），第1根试样的*大应力约为σ₁=（0.6~0.7）σ_b；(3)试样断裂后记下寿命N1，取下试样描绘疲劳断口的特征；(4)取另一试样使其*大应力σ₂=（0.40~0.45）σ_b，重复步骤①到③测得疲劳寿命N₂，若N₂＜10⁷次，则应降低应力再重复步骤①到③，直至N₂＞10⁷次；(5)在σ₁与σ₂之间插入4个等差应力水平，分别为σ₃，σ₄，σ₅，σ₆，逐级递减进行以上试验，相应的寿命分别为N₃，N₄，N₅，N₆。

数据处理：当N₆＜10⁷次，疲劳极限在σ₂与σ₆之间，这时取σ₇=1/2（σ₂+σ₆）再进行试验；当N₆＞10⁷次，取σ₇=1/2（σ₅+σ₆）再进行试验。

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。

高频振动试验装置示意图

试样要求：试样形状同单点疲劳试样相同；试样材料一般选用高强度钢。

试验步骤：（1）安装试样；（2）安装控制与测量的加速度传感器，并进行500~2000Hz的正弦扫频试验，根据扫频结果选取试验频率；（3）以选取的试验频率、控制加速度进行正弦高频振动环境疲劳试验，调整试验应力水平为σ=ma/S。（m为配重质量，a为配重的加速度，S为试样横截面积）

数据处理：将获得的试验数据以试验应力σ为纵坐标，以疲劳寿命的对数lgN为横坐标，由如下公式按照*小二乘法拟合直线的原理，使各数据点到直线的水平距离的平方和为*小：lgN=a+b(σ-σ₀)。

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）。超声法疲劳试验一般用于超高周疲劳试验，主要针对10⁹以上周次疲劳试验。

试验装置主要包括：（1）超声频率发生器（将超声正弦波电信号由50Hz转变为20kHz）；（2）压力陶瓷换能器（将电源提供的电信号转化成机械振动信号）；（3）位移放大器（放大位移振幅使试样获得所需的应变振幅）。试验装置原理：由压电陶瓷换能器、位移放大器和试样组成的超声疲劳试验机构成了一个力学振动系统，试样的加载是由外加信号激励试样发生谐振，在试样中产生谐振波来实现。

超声法疲劳试验装置示意图

试样分为拉压试样和三点弯曲试样。

试样示意图

试验步骤：（1）对试样进行测量校准；（2）安装试样，对称拉压试验中，试样的一端固定放大器末端，另一端自由，非对称拉压试验中，试样两端分别固定在两个放大器；（3）对所加载荷和试验频率进行参数设置；（4）开始试验，并记录数据。

数据处理：试验数据用Basquin方程描述：σ_a=σ_f^’(2N_f)^bλ。其中σ_a表示应力幅，σ_f表示应表示疲劳强度系数，N_f表示试验所得疲劳寿命，以N_f为横坐标，以σ_a为纵坐标绘制超声疲劳S-N曲线。

4.5 相关标准

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