金屬疲勞試驗

疲勞試驗  fatigue test

 

   利用金屬試樣或模擬機件在各種環(huán)境下，經(jīng)受交變載荷循環(huán)作用而測定其疲勞性能判據(jù)，并研究其斷裂過程的試驗，即為金屬疲勞試驗。

   1829年德國人阿爾貝特(J.Albert)為解決礦山卷揚機服役過程中鋼索經(jīng)常發(fā)生突然斷裂,首先以10次/分的頻率進行疲勞試驗18521869年德國人沃勒(A.Whler)為研究機車車輛開始以15次／分的頻率對車輛部件進行拉伸疲勞試驗,以后又用試樣以72次/分的頻率在旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗機進行旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗，他的功績是指出一些金屬存在疲勞極限，并將疲勞試驗結(jié)果繪成應(yīng)力與循環(huán)周次關(guān)系的-曲線（圖1[金屬的-曲線]金屬的<img http://baike.sososteel.com/doc/view/src=-曲線" class=image>）,又稱為Whler曲線。1849年英國人古德曼 (J.Goodman)首先考慮了平均應(yīng)力不為零時非對稱載荷下的疲勞問題并提出耐久圖，為金屬制件的壽命估算和安全可靠服役奠定理論基礎(chǔ)。1946年德國人魏布爾 (W.Weibull)對大量疲勞試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析研究，提出對數(shù)疲勞壽命一般符合正態(tài)分布（高斯分布），闡明疲勞測試技術(shù)中應(yīng)采用數(shù)理統(tǒng)計。

   60年代初，從斷裂力學(xué)觀點分析金屬疲勞問題，進一步擴大了疲勞研究內(nèi)容。近年來，由于電液伺服閉環(huán)控制疲勞試驗機的出現(xiàn)以及近代無損檢驗技術(shù)、現(xiàn)代化儀器儀表等新技術(shù)的采用，促進了金屬疲勞測試技術(shù)的發(fā)展。今后應(yīng)著重各種不同條件(特別是接近服役條件)下金屬及其制件的疲勞測試技術(shù)的研究。

   試驗種類和判據(jù)  金屬疲勞試驗種類很多，通?？煞譃楦咧芷凇⒌椭芷?、熱疲勞、沖擊疲勞、腐蝕疲勞、接觸疲勞、聲致疲勞、真空疲勞、高溫疲勞、常溫疲勞、低溫疲勞、旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞、平面彎曲疲勞、軸向加載疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞、復(fù)合應(yīng)力疲勞等。應(yīng)根據(jù)金屬制件的服役（工作）條件來選擇適宜的疲勞試驗方法，測試條件要盡量接近服役條件。進行金屬疲勞試驗的目的在于測定金屬的疲勞強度（抗力），由于試驗條件不同，表征金屬疲勞強度的判據(jù)（指標(biāo)）也不一樣。

   高周疲勞  高周疲勞時，金屬疲勞強度判據(jù)是疲勞極限 (或條件疲勞極限)即金屬經(jīng)受“無限”多次(或規(guī)定周次)應(yīng)力循環(huán)而不斷裂的最大應(yīng)力,以表示，其中為應(yīng)力比,即循環(huán)中最小與最大應(yīng)力之比。在對稱循環(huán)應(yīng)力下＝－1，疲勞極限表示為。工程金屬材料的疲勞極限與抗拉強度成正比,比值約為0.5，對疲勞試驗時選取第一個循環(huán)應(yīng)力具有參考價值。

   金屬疲勞試驗時，應(yīng)力隨時間一般呈正弦波形變化（圖2[循環(huán)應(yīng)力類型]循環(huán)應(yīng)力類型）,但有時也采用三角形、矩形等應(yīng)力波形。金屬疲勞試驗時最廣泛采用的是旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗和軸向加載疲勞試驗。循環(huán)應(yīng)力類型見圖2[ 循環(huán)應(yīng)力類型] 循環(huán)應(yīng)力類型。

   金屬在疲勞極限下實際所通過的最大循環(huán)次數(shù)稱為試驗基數(shù)。鋼鐵及鈦合金等,基數(shù)一般為10；對于有色金屬、特殊鋼及在高溫、腐蝕等試驗條件下，基數(shù)一般為10。一些金屬存在疲勞極限，對應(yīng)地在-曲線上出現(xiàn)水平部分。一些金屬不存在疲勞極限,其-曲線無水平部分；隨循環(huán)周次增加，金屬所能承受的應(yīng)力不斷減小，因此將對應(yīng)于規(guī)定周次的應(yīng)力稱為條件疲勞極限。

   金屬疲勞極限一般根據(jù)10個以上相同試樣的疲勞試驗結(jié)果所繪制的-曲線求得,或用升降法求得。金屬疲勞強度是一種對金屬外在缺陷、內(nèi)在缺陷、顯微組織和環(huán)境條件非常敏感的性能，通過疲勞試驗所測定的試驗數(shù)據(jù)一般都很分散，即-曲線通常都是一個帶,由此求出的疲勞極限乃是一組試樣的統(tǒng)計平均值。

   不對稱循環(huán)應(yīng)力疲勞  在不對稱循環(huán)應(yīng)力下，一般采用在規(guī)定耐久期下表示極限循環(huán)應(yīng)力與平均應(yīng)力的耐久圖（圖3[金屬的耐久圖]金屬的耐久圖），表示疲勞試驗結(jié)果。

   低周疲勞  對于高應(yīng)力大應(yīng)變下的低周疲勞（周次一般為10～10），通常是進行恒應(yīng)變控制低周疲勞試驗。應(yīng)首先將試驗結(jié)果繪成低周疲勞壽命曲線（圖4[ 金屬低周疲勞壽命曲線] 金屬低周疲勞壽命曲線），然后從相關(guān)直線的截距和斜率求得下列表征金屬低周疲勞性能的判據(jù)：疲勞強度系數(shù)、疲勞塑性系數(shù)、疲勞強度指數(shù)、疲勞塑性指數(shù)。 循環(huán)應(yīng)變硬化指數(shù)、循環(huán)強度系數(shù)等判據(jù)可從循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線求得。

   影響疲勞試驗的因素  金屬疲勞試驗結(jié)果受很多因素影響,如試驗條件（試樣的尺寸、形狀和表面狀態(tài),試驗機類型，載荷特征，頻率、溫度及介質(zhì)等）、冶金因素（晶粒度、顯微組織、冶金缺陷等）、操作技術(shù)（試樣安裝情況、加載同心度等）。為了保證金屬疲勞試驗結(jié)果的可靠性和可比性，必須設(shè)法避免上述各種因素的影響，嚴格控制疲勞測試相關(guān)條件的一致性。此外，殘余應(yīng)力也是影響疲勞強度的一個重要因素，一般是殘余壓應(yīng)力有利，殘余拉應(yīng)力有害。為了減小殘余應(yīng)力對疲勞試驗結(jié)果的影響，除樣坯應(yīng)經(jīng)適當(dāng)熱處理外，疲勞試樣的機械切削加工應(yīng)采用多段、分級、逐步減小加工量的方法，精加工時以橫磨削、縱拋光為宜。

   疲勞斷口  金屬疲勞裂紋通常在表面層應(yīng)力集中處(滑移帶、夾雜、析出微粒、劃痕、缺口、冶金缺陷等)萌生、而后擴展至斷裂。金屬疲勞斷裂表面的外觀形貌稱之為疲勞斷口。一般分為三區(qū)：即疲勞源（萌生疲勞裂紋的核心策源地）；疲勞裂紋擴展區(qū)（擴展過程中留下呈同心弧線的貝殼狀形貌，光亮平滑，顆粒細有時呈瓷狀）；終斷區(qū)（剩余截面不足以支承峰值應(yīng)力因過載荷而靜斷，呈暗灰色纖維狀或晶粒狀）。

   在電子顯微鏡或光學(xué)顯微鏡高倍放大下，在金屬疲勞擴展區(qū)可顯示出垂直裂紋擴展方向而大致平行的疲勞條痕，每根條痕標(biāo)志每一循環(huán)終了疲勞裂紋的位置，因此條痕間距可作為局部疲勞裂紋擴展率的度量。