容大檢測——金屬疲勞試驗方法詳解

      金屬材料疲勞試驗是通過模擬結(jié)構(gòu)或部件的實際工作狀況，在試驗室內(nèi)測定材料的疲勞曲線，為設(shè)計、選材及選擇工藝提供依據(jù)的方法，用以估計結(jié)構(gòu)或部件的疲勞特性和設(shè)法提高疲勞抗力，延遲或避免疲勞破壞。疲勞試驗可以預(yù)測材料或構(gòu)件在交變載荷作用下的疲勞強(qiáng)度，一般該類試驗周期較長，所需設(shè)備比較復(fù)雜，但是由于一般的力學(xué)試驗如靜力拉伸、硬度和沖擊試驗，都不能夠提供材料在反復(fù)交變載荷作用下的性能，因此對于重要的零構(gòu)件進(jìn)行疲勞試驗是必須的。金屬材料疲勞試驗的一些常用試驗方法通常包括單點疲勞試驗法、升降法、高頻振動試驗法、超聲疲勞試驗法、紅外熱像技術(shù)疲勞試驗方法等。其中單點疲勞試驗法操作簡單方便、所用時間較短，但測得的結(jié)果不是很精準(zhǔn)；升降法在常規(guī)疲勞試驗中是比較精準(zhǔn)而又常用的一種方法；高頻振動疲勞試驗彌補(bǔ)了常規(guī)疲勞試驗缺少高頻率的不足，滿足一些在高頻率環(huán)境下服役材料的疲勞性能研究；超聲疲勞試驗提供了高效率的加速疲勞試驗方案，容易得到高周疲勞試驗數(shù)據(jù)；紅外熱像疲勞試驗是一種能量方法的疲勞研究，試驗所用試樣少、快速而又精準(zhǔn)。

1.1單點疲勞試驗法

      單點疲勞試驗適用于金屬材料構(gòu)件在室溫、高溫或腐蝕空氣中旋轉(zhuǎn)彎曲載荷條件下服役的情況。該種方法在試樣數(shù)量受限制的情況下，可近似測定疲勞曲線并粗略估計疲勞極限。試驗所需的疲勞試驗機(jī)一般為彎曲疲勞試驗機(jī)和拉壓試驗機(jī)，試驗機(jī)應(yīng)滿足彎曲載荷誤差不大于±1％，為避免試樣振動，試驗選擇的頻率應(yīng)適用于材料、試樣和試驗機(jī)的組合。

      單點疲勞試驗一般按如下步驟進(jìn)行：

      ①測量試樣最小直徑d_ｍｉｎ和計算或查出加載系數(shù)k；

      ②首先確定抗拉強(qiáng)度為σ_b的第1根試樣的最大應(yīng)力約為σ₁＝（0.6～0.7）σ_b，并由式①計算應(yīng)施加的載荷P；

      ③安裝試樣；

      ④施加載荷犘；

      ⑤試樣斷裂后記下壽命N₁，取下試樣描繪疲勞破壞斷口的特征；

      ⑥取另一試樣使其最大應(yīng)力σ₂＝（0.40～0.45）σ_b，重復(fù)步驟③～⑤測得疲勞壽命N₂，若N_２＜107次，則應(yīng)降低應(yīng)力再重復(fù)步驟③～⑤，直至在σ₂作用下，N₂＞107次；⑦在σ₁與σ₁之間插入4～5個等差應(yīng)力水平，它們分別為σ₃，σ₄，σ₅，σ₅，逐級遞減進(jìn)行以上試驗，相應(yīng)的壽命分別為N₃，N₄，N₅，N₆。

1.2升降法疲勞試驗

      升降法疲勞試驗是獲得金屬材料或結(jié)構(gòu)疲勞極限的一種比較常用而又精確的方法，在常規(guī)疲勞試驗方法測定疲勞強(qiáng)度的基礎(chǔ)上或在指定壽命的材料或結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度無法通過試驗直接測定的情況下，一般采用升降法疲勞試驗間接測定疲勞強(qiáng)度。升降法疲勞試驗主要用于測定中、長壽命區(qū)材料或結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的隨機(jī)特性。所需試驗機(jī)一般為拉壓疲勞試驗機(jī)，需滿足靜載荷顯示值誤差不大于±1％，顯示值變動度不大于±1％，平均載荷顯示值波動度不大于使用載荷滿量程的±1％，振幅顯示值波動度不大于使用載荷滿量程的±2％。

      升降法疲勞試驗一般按如下步驟進(jìn)行：

      ①安裝試樣，安裝試樣時需仔細(xì)操作，使試樣與疲勞試驗機(jī)上、下夾具保持同軸，盡量減少試樣承受規(guī)定軸向應(yīng)力以外的其他應(yīng)力；

      ②參數(shù)設(shè)置，在電腦界面上設(shè)置試驗參數(shù)，如動載荷、頻率、循環(huán)次數(shù)、試樣工作部分的直徑和橫截面積等；

      ③施加載荷，所施加的動載荷一般為對稱循環(huán)應(yīng)力，波形為正弦波；

      ④終止試驗，試樣在規(guī)定循環(huán)應(yīng)力下，通常一直連續(xù)試驗至試樣失效或規(guī)定循環(huán)次數(shù)。

1.3高頻振動疲勞試驗法

      常規(guī)疲勞試驗中交變載荷的頻率一般低于200Hz，無法精確測得一些零件在高頻環(huán)境狀態(tài)下的疲勞損傷。高頻振動試驗利用試驗器材產(chǎn)生含有循環(huán)載荷頻率為1000Hz左右特性的交變慣性力作用于疲勞試樣上，可以滿足在高頻、低幅、高循環(huán)環(huán)境條件下服役金屬材料的疲勞性能研究。高頻振動試驗主要用于軍民機(jī)械工程的需要。試驗裝置通常包括：控制儀、電荷適配器、功率放大器、加速度計、振動臺等

      高頻振動疲勞試驗一般按如下步驟進(jìn)行：

      ①按要求安裝試樣；

      ②安裝控制與測量的加速度傳感器，并進(jìn)行500-2000Hz的正弦掃頻試驗，根據(jù)掃頻結(jié)果選取試驗頻率；

      ③以選取的試驗頻率、控制加速度進(jìn)行正弦高頻振動環(huán)境疲勞試驗，調(diào)整試驗應(yīng)力水平為σ＝ma/s，（m為配重質(zhì)量，a為配重的加速度，s為試樣橫截面積）；

      ④應(yīng)用振動臺的高頻振動特性和集中質(zhì)量所形成的交變載荷，通過計算機(jī)獲得穩(wěn)定的試驗數(shù)據(jù)。

1.4超聲法疲勞試驗

      超聲法疲勞試驗是一種加速共振式的疲勞試驗方法，其測試頻率（20KHz）遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過常規(guī)疲勞測試頻率（小于200Hz）。超聲疲勞試驗可以在不同載荷特征、不同環(huán)境和溫度等條件下進(jìn)行，為疲勞研究提供了一個很好的手段。超聲疲勞試驗一般用于超高周疲勞試驗，主要針對109以上周次疲勞試驗。高周疲勞時，材料宏觀上主要表現(xiàn)為彈性的，所以在損傷本構(gòu)關(guān)系中采用應(yīng)力、應(yīng)變等參量的彈性關(guān)系處理，而不涉及微塑性。所需儀器主要包括以下3部分：

      ①超聲頻率發(fā)生器，將超聲正弦波電信號由50Hz轉(zhuǎn)變?yōu)?0KHz；

      ②壓力陶瓷換能器，將電源提供的電信號轉(zhuǎn)化成機(jī)械振動信號；

      ③位移放大器，放大位移振幅使試樣獲得所需的應(yīng)變振幅。

      超聲法疲勞試驗一般按如下步驟進(jìn)行：

      ①對所測試樣進(jìn)行測量校準(zhǔn)；

      ②安裝試樣，對稱拉壓試驗中，試樣的一端固定放大器末端，另一端自由，非對稱拉壓試驗中，需兩個放大器，試樣兩端分別加在兩個放大器上；

      ③對所加載荷和試驗頻率進(jìn)行參數(shù)設(shè)置；

      ④開始試驗，啟動開關(guān)將試驗頻率加速至超聲頻率后記錄下試驗數(shù)據(jù)。

1.5紅外熱像技術(shù)疲勞試驗方法

      為縮短試驗時間、減少試驗成本，能量方法成為疲勞試驗研究的重要方法之一。金屬材料的疲勞是一個耗散能量的過程，而溫度變化則是研究疲勞過程能量耗散極為重要的參量。紅外熱像技術(shù)是一種波長轉(zhuǎn)換技術(shù)，即將目標(biāo)的熱輻射轉(zhuǎn)換為可見光的技術(shù)，利用目標(biāo)自身各部分熱輻射的差異獲取二維可視圖像，用計算機(jī)圖像處理技術(shù)和紅外測溫標(biāo)定技術(shù)，實現(xiàn)對物體表面溫度場分布的顯示、分析和精確測量。試驗一般在高頻疲勞試驗機(jī)上進(jìn)行，紅外熱像儀的精度滿足100℃時誤差不大于±0.1℃。試驗所用材料通常為表面鍍鋅、經(jīng)過正火處理的金屬材料。

      紅外熱像技術(shù)疲勞試驗一般按如下步驟進(jìn)行：

      ①按要求安裝試樣；

      ②參數(shù)設(shè)置；

      ③施加略低于材料疲勞極限的載荷，通過紅外熱像儀實時觀察試樣表面溫度變化，記錄穩(wěn)定的溫升值；

      ④逐漸增大工作載荷，記錄不同載荷水平、不同時刻的熱圖像和穩(wěn)定的溫升值；

      ⑤直到試樣斷裂停止試驗。