疲勞測試方法及應(yīng)用介紹

當構(gòu)件的某個點在承受足夠大擾動應(yīng)力，經(jīng)過足夠多的循環(huán)后會形成裂紋，這一現(xiàn)像被稱為疲勞。疲勞斷裂是工程結(jié)構(gòu)和部件失效的主要原因。在目前的應(yīng)用和研究中，較主流的疲勞測試方法主要有4類: 1. 名義應(yīng)力應(yīng)變法;2. 局部應(yīng)力應(yīng)變法;3. 能量法;4. 斷裂力學(xué)法。本文簡要介紹了此4類方法及其應(yīng)用。

1 .名義應(yīng)力法

名義應(yīng)力法是對標準構(gòu)件施加額定應(yīng)力測試的方法，根據(jù)最大循環(huán)應(yīng)力與屈服應(yīng)力的關(guān)系，分為應(yīng)力疲勞和應(yīng)變疲勞。

首先介紹應(yīng)力疲勞，其定義是若最大循環(huán)應(yīng)力Smax小于屈服應(yīng)力Sy，為應(yīng)力疲勞。由于應(yīng)力疲勞測試，材料壽命大于104次，所以應(yīng)力疲勞也被稱為高周疲勞。應(yīng)力疲勞依據(jù)的理論，金屬材料的應(yīng)力S與破壞時的循環(huán)次數(shù)N呈非線性分布。

應(yīng)力疲勞一般用于材料疲勞S-N曲線，如圖1和圖2，采用升降法測試AZ31B鎂合金疲勞極限(應(yīng)力比為0.1，疲勞壽命為107對應(yīng)的疲勞載荷)。圖中AZ31B鎂合金試樣的疲勞極限為97.29MPa。

應(yīng)變疲勞應(yīng)用于高載荷低設(shè)計壽命構(gòu)件的測試。其定義是：若最大循環(huán)應(yīng)力Smax大于屈服應(yīng)力Sy，為應(yīng)變疲勞。應(yīng)力疲勞測試用于研究部件在高載荷低頻率的場合，如壓力容器使用壽命期限內(nèi)，總循環(huán)次數(shù)數(shù)量級為104，因此，用應(yīng)變作為疲勞性能參量描述。應(yīng)力疲勞也被稱為低周疲勞。

基于應(yīng)變疲勞研究學(xué)者提出以下理論，材料的應(yīng)力-應(yīng)變(Remberg-Osgood彈塑性應(yīng)力應(yīng)變)關(guān)系：

式中εe彈性應(yīng)變幅，εp為塑性應(yīng)變幅。

在恒幅對稱應(yīng)變測試過程中，由于材料發(fā)生塑性變形，應(yīng)變減小時應(yīng)力不能以原始路徑減小，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈環(huán)狀，這一曲線稱為滯后環(huán)。隨著循環(huán)次數(shù)增加，達到相同的應(yīng)變幅應(yīng)力會增加或減小，這一應(yīng)力對應(yīng)變的響應(yīng)被稱為循環(huán)硬化或循環(huán)軟化，循環(huán)足夠多周次，有的材料會形成穩(wěn)定滯后環(huán)。

應(yīng)變疲勞中，用應(yīng)力-應(yīng)變曲線，描述材料的循環(huán)硬化或循環(huán)軟化趨勢。對于具有對稱滯后環(huán)曲線材料，稱為Massing材料。

2、 局部應(yīng)力應(yīng)變法

對于帶缺口試樣以及存在應(yīng)力集中部件，采用局部應(yīng)力應(yīng)變法分析，當前研究表明決定構(gòu)件疲勞壽命的是局部最大應(yīng)變和應(yīng)力，并提出應(yīng)力集中系數(shù)的概念。適合計算材料裂紋形成的壽命，以及部件剩余疲勞壽命預(yù)測。

對于局部應(yīng)力法提出的理論有Neuber 公式(應(yīng)力集中公式)

Minner理論(疲勞累計損傷理論)：構(gòu)件在恒定應(yīng)力S下的疲勞壽命為N，則經(jīng)n次循環(huán)的損傷為：

若在k個恒定應(yīng)力Si下，各經(jīng)受ni次循環(huán)，其總損傷可定義為：

破壞準則為：

應(yīng)力集中點疲勞壽命根據(jù)以下公式計算：

式中：Sf -等效應(yīng)力光滑試樣疲勞壽命

圖6起重機的疲勞壽命計算方法為，將不同測試點載荷時間歷程圖，輸入各點的疲勞壽命方程，可計算出各點剩余疲勞壽命。默認壽命最少點為設(shè)備的剩余疲勞壽命。對于起重機，學(xué)者提出普通鋼材累計損傷值D達到0.68即失效。

3、 能量法

紅外熱像法是基于材料疲勞過程能量平恒定律提出的一種預(yù)測疲勞性能的方法。疲勞熱像法的依據(jù)是疲勞過程中材料的熱力學(xué)能U、動能K及電、磁等其他形式的能量耗散Eoth與物體吸收或散逸的熱變化Q的總和應(yīng)與作用于物體上的功W相同。

疲勞熱像法具有無損、實時、非接觸的優(yōu)點，同時，由于能量耗散與疲勞載荷的非線性關(guān)系，以及熱耗散用溫度表征的誤差，仍不適合工業(yè)量測。

當前研究已提出以下預(yù)測模型理論，Luong法， ?Tmax與疲勞壽命Nf關(guān)系如下：

式中： C1，C2為常數(shù)。

因此，可用雙線法預(yù)測疲勞極限?；跓岬暮纳⑦€有學(xué)者提出以下模型:

R-溫升斜率

以下是太原理工大學(xué)張紅霞老師團隊對疲勞熱像法的研究。采用熱像法快速預(yù)測AZ31B Mg合金疲勞壽命。只需要測試試樣第一階段溫升就可根據(jù)雙線法預(yù)測材料的疲勞極限。

4、 斷裂力學(xué)法

線彈性斷裂力學(xué)是研究疲勞裂紋擴展的理論依據(jù)。疲勞裂紋擴展也可用應(yīng)力強度因子K定量描述。

在疲勞載荷作用下，裂紋長度a隨循環(huán)次數(shù)N的變化率da/dN，即疲勞裂紋擴展速率，反映裂紋擴展的快慢。對于給定裂紋長度a，da/dN隨著循環(huán)應(yīng)力幅?σ(?σ越大，?K越大)的增加而增加，基于這一現(xiàn)象，學(xué)者研究了da/dN-?K(裂紋擴展速率-應(yīng)力強度增幅)曲線，曲線可分為三個區(qū)：低速率，中速率，高速率區(qū)。Paris公式指出中速率的穩(wěn)定擴展存在以下線性關(guān)系：

裂紋尖端塑形區(qū)域經(jīng)驗公式：

疲勞裂紋形成和擴展可以在損傷力學(xué)框架下統(tǒng)一起來。

以下是AZ31B鎂合金裂紋擴展速率研究，評估AZ31B穩(wěn)定擴展速率。

AB段(中速率區(qū))：da/dN=4.57×10-7(ΔK)3.25 (7.2<ΔK≤13.5 MPa•m1/2)

BC段(高速率區(qū))：da/dN=3.16×10-10(ΔK)6.21(13.5<ΔK≤22.1 MPa•m1/2)

總結(jié)：

四類方法應(yīng)用場合不同，名義應(yīng)力法和局部應(yīng)力法適合工業(yè)領(lǐng)域材料&部件性能測試，能量法可以預(yù)測材料疲勞壽命，斷裂力學(xué)法成功把疲勞裂紋形成和擴展統(tǒng)一起來。