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材料在變動(dòng)載荷下的力學(xué)性能

 

4.1 概述

工程中很多機(jī)件和構(gòu)件都是在變動(dòng)載荷下工作，如曲軸、連桿、齒輪、彈簧、輥?zhàn)?、葉片及橋梁等，其失效形式主要是疲勞斷裂。

 

疲勞是指機(jī)件和構(gòu)件在服役過程中，由于承受變動(dòng)載荷而導(dǎo)致裂紋萌生和擴(kuò)展以致斷裂失效的全過程。變動(dòng)載荷是引起疲勞破壞的外力，是指載荷大小甚至方向均隨時(shí)間變化的載荷，其在單位面積上的平均值為變動(dòng)應(yīng)力。變動(dòng)應(yīng)力分為循環(huán)應(yīng)力和無規(guī)則隨機(jī)變動(dòng)應(yīng)力。循環(huán)應(yīng)力的波形有正弦波、矩形波和三角形波等。

疲勞的特點(diǎn)：疲勞是具有壽命的斷裂，其斷裂應(yīng)力水平往往低于材料抗拉強(qiáng)度，甚至低于屈服強(qiáng)度；疲勞是脆性斷裂（突發(fā)性）；對(duì)缺陷（缺口、裂紋及組織缺陷）十分敏感。

 

在載荷下進(jìn)行試驗(yàn)以提供材料或零部件的某種疲勞數(shù)據(jù)的試驗(yàn)稱為疲勞試驗(yàn)。疲勞試驗(yàn)按失效循環(huán)次數(shù)可分為高周疲勞試驗(yàn)和低周疲勞試驗(yàn)。高周疲勞試驗(yàn)以應(yīng)力為基本控制參數(shù)，低周疲勞試驗(yàn)以應(yīng)變?yōu)榛究刂茀?shù)。疲勞試驗(yàn)按載荷和環(huán)境可分為室溫疲勞試驗(yàn)、高溫疲勞試驗(yàn)、低溫疲勞試驗(yàn)、熱疲勞試驗(yàn)、腐蝕疲勞試驗(yàn)、接觸疲勞試驗(yàn)和沖擊疲勞試驗(yàn)。

 

4.2 疲勞斷口

疲勞斷裂經(jīng)歷了裂紋萌生和擴(kuò)展過程。由于應(yīng)力水平較低，因此具有較明顯的裂紋萌生和穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展階段，疲勞斷裂的宏觀斷口一般由三個(gè)區(qū)域組成，即疲勞裂紋產(chǎn)生區(qū)（裂紋源）、裂紋擴(kuò)展區(qū)和最后斷裂區(qū)。

 

 

疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線
 

I區(qū)：裂紋初始擴(kuò)展階段，10^-8~10^-6mm/周次，快速提高，但△K變化范圍很小所以提高有限；

II區(qū)：裂紋擴(kuò)展主要階段，10-5~10-2mm/周次，da/dN~△K呈冪函數(shù)關(guān)系，△K變化范圍很大，擴(kuò)展壽命長(zhǎng)。

Ⅲ區(qū)：裂紋擴(kuò)展最后階段，da/dN很大，并隨△K增加而很快地增大，只需擴(kuò)展很少周次即會(huì)導(dǎo)致材料失穩(wěn)斷裂。

疲勞源

該區(qū)最光亮（該斷面經(jīng)多次摩擦擠壓）；裂紋源位于裂紋擴(kuò)展區(qū)的貝紋弧線凹向一側(cè)的焦點(diǎn)位置；可以有一個(gè)或者多個(gè)（與應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)）；對(duì)于多個(gè)裂紋源，一般源區(qū)越亮、裂紋擴(kuò)展區(qū)越大、貝紋線越密，則該裂紋源越早產(chǎn)生。

 

疲勞區(qū)

是裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展形成的區(qū)域；斷口比較光滑并分布有貝紋線（或海灘花樣），有時(shí)還有裂紋擴(kuò)展臺(tái)階；貝紋線是載荷變動(dòng)引起的，貝紋線是一簇以裂紋源為圓心的平行弧線，近源處則貝紋線距越密，遠(yuǎn)離源處則貝紋線距越疏。

 

瞬斷區(qū)

是裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展形成的區(qū)域；該斷口區(qū)比疲勞區(qū)粗糙，與靜載的斷口相似（脆性材料斷口呈結(jié)晶狀，韌性材料斷口在心部平面應(yīng)變區(qū)呈放射狀或人字紋狀，邊緣平面應(yīng)力區(qū)則有剪切唇區(qū)存在）；位置一般處于裂紋源的對(duì)側(cè)；區(qū)域大小與材料承受名義應(yīng)力及材料性質(zhì)有關(guān)，高名義應(yīng)力或低韌性材料，最后斷裂區(qū)大，反之，最后斷裂區(qū)小。

 

4.3 疲勞曲線與疲勞極限

疲勞曲線是疲勞應(yīng)力與疲勞壽命的關(guān)系曲線，即S-N曲線，用于確定疲勞極限、建立疲勞應(yīng)力判據(jù)的基礎(chǔ)。

       

 

典型的金屬材料疲勞曲線

疲勞極限指材料抵抗無限次應(yīng)力循環(huán)而不斷裂的強(qiáng)度指標(biāo)。條件疲勞極限指材料抵抗有限次應(yīng)力循環(huán)而不斷裂的強(qiáng)度指標(biāo)。二者統(tǒng)稱為疲勞強(qiáng)度。

 

對(duì)稱循環(huán)載荷是一種常規(guī)載荷，有對(duì)稱彎曲、對(duì)稱扭轉(zhuǎn)及對(duì)稱拉壓等。其對(duì)應(yīng)的疲勞極限稱為σ_－1、τ_－1、σ_－1p。其中σ_－1是最常用的對(duì)稱循環(huán)疲勞極限。

抗拉強(qiáng)度越大，疲勞極限越大。

鋼的疲勞極限σ_－1與抗拉強(qiáng)度σ_b的關(guān)系

 

4.4 疲勞試驗(yàn)方法

金屬材料疲勞極限試驗(yàn)，是通過模擬結(jié)構(gòu)或部件的實(shí)際工作情況，在試驗(yàn)室內(nèi)測(cè)定材料的疲勞曲線，用以估計(jì)結(jié)構(gòu)或部件的疲勞特性。

一般該類試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，所需設(shè)備比較復(fù)雜，但是由于一般的力學(xué)試驗(yàn)如靜力拉伸、硬度和沖擊試驗(yàn)，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(duì)于重要的零構(gòu)件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)是必須的。

常用試驗(yàn)方法及其特點(diǎn)

 

單點(diǎn)疲勞試驗(yàn)法

單點(diǎn)疲勞試驗(yàn)法適用于金屬材料構(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。

試驗(yàn)設(shè)備：彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)、抗壓試驗(yàn)機(jī)。

試樣要求：（1）試樣數(shù)量為8 ~ 10根；試樣尺寸要求最小截面直徑d一般取6，7.8，9mm，偏差小于0.005d。

試樣形狀示意圖

試驗(yàn)步驟：（1）安裝試樣；（2施加載荷P（一般是根據(jù)材料的抗拉強(qiáng)計(jì)算出應(yīng)該施加的載荷大小P），第1根試樣的最大應(yīng)力約為σ₁=（0.6 ~0.7）σ_b；(3)試樣斷裂后記下壽命N1，取下試樣描繪疲勞斷口的特征；(4)取另一試樣使其最大應(yīng)力σ₂=（0.40 ~0.45）σ_b，重復(fù)步驟①到③測(cè)得疲勞壽命N₂，若N₂＜10⁷次，則應(yīng)降低應(yīng)力再重復(fù)步驟①到③，直至N₂＞ 10⁷次；(5)在σ₁與σ₂之間插入4個(gè)等差應(yīng)力水平，分別為σ₃，σ₄，σ₅，σ₆，逐級(jí)遞減進(jìn)行以上試驗(yàn)，相應(yīng)的壽命分別為N₃，N₄，N₅，N₆。

數(shù)據(jù)處理：當(dāng)N₆＜10⁷次，疲勞極限在σ₂與σ₆之間，這時(shí)取σ₇=1/2（σ₂+σ₆）再進(jìn)行試驗(yàn)；當(dāng)N₆＞10⁷次，取σ₇=1/2（σ₅+σ₆）再進(jìn)行試驗(yàn)。

 

升降法疲勞試驗(yàn)

升降法疲勞試驗(yàn)主要用于測(cè)定中、長(zhǎng)壽命區(qū)材料或結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的隨機(jī)特性。在常規(guī)疲勞試驗(yàn)方法測(cè)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(yàn)直接測(cè)定的情況下，一般采用升降法疲勞試驗(yàn)間接測(cè)定疲勞強(qiáng)度。

試驗(yàn)設(shè)備：抗壓疲勞試驗(yàn)機(jī)。

試樣形狀示意圖

（試樣數(shù)量：約16根）

 

升降法示意圖

試驗(yàn)方法：（1）試驗(yàn)從高于疲勞強(qiáng)度的應(yīng)力水平開始，然后逐級(jí)降低（如疲勞強(qiáng)度未知，可選用材料的靜態(tài)拉伸屈服強(qiáng)度R_p0.2或R_eL）；（2）在應(yīng)力水平下進(jìn)行第一根試驗(yàn)，如果在指定壽命N=10⁷次之前發(fā)生破壞，則下一根試樣就要在低一級(jí)的應(yīng)力水平下進(jìn)行，反之，則要在高一級(jí)的應(yīng)力水平下進(jìn)行，直至完成全部試樣；（3）各級(jí)應(yīng)力水平之差叫做“應(yīng)力增量”，在整個(gè)試驗(yàn)過程中，應(yīng)力增量應(yīng)保持不變。

試樣步驟：（1）安裝試樣；（2）參數(shù)設(shè)置，在電腦界面設(shè)置試驗(yàn)參數(shù)，如動(dòng)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(dòng)載荷一般為對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力，波形為正弦波；（4）終止試驗(yàn)，試樣在規(guī)定循環(huán)應(yīng)力下，通常一直連續(xù)試驗(yàn)至試樣失效或規(guī)定循環(huán)次數(shù)。

數(shù)據(jù)處理：將出現(xiàn)第一對(duì)相反結(jié)果以前的數(shù)據(jù)舍棄；以V_i表示在第i級(jí)應(yīng)以水平σ_i下進(jìn)行的試驗(yàn)次數(shù)，n表示有效試驗(yàn)總次數(shù)，m表示升降應(yīng)力水平的級(jí)數(shù)。

 

高頻振動(dòng)疲勞試驗(yàn)法

高頻振動(dòng)試驗(yàn)利用試驗(yàn)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(dòng)試驗(yàn)主要用于軍民機(jī)械工程的需要。

 

高頻振動(dòng)試驗(yàn)裝置示意圖

試樣要求：試樣形狀同單點(diǎn)疲勞試樣相同；試樣材料一般選用高強(qiáng)度鋼。

試驗(yàn)步驟：（1）安裝試樣；（2）安裝控制與測(cè)量的加速度傳感器，并進(jìn)行500~2000Hz的正弦掃頻試驗(yàn)，根據(jù)掃頻結(jié)果選取試驗(yàn)頻率；（3）以選取的試驗(yàn)頻率、控制加速度進(jìn)行正弦高頻振動(dòng)環(huán)境疲勞試驗(yàn)，調(diào)整試驗(yàn)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）

數(shù)據(jù)處理：將獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)以試驗(yàn)應(yīng)力σ為縱坐標(biāo)，以疲勞壽命的對(duì)數(shù)lgN為橫坐標(biāo)，由如下公式按照最小二乘法擬合直線的原理，使各數(shù)據(jù)點(diǎn)到直線的水平距離的平方和為最?。?/span>lgN=a+b(σ-σ₀)。

 

超聲波疲勞試驗(yàn)

超聲法疲勞試驗(yàn)是一種加速共振式的疲勞試驗(yàn)方法，其測(cè)試頻率（20kHz）遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過常規(guī)疲勞測(cè)試頻率（小于200Hz）。超聲法疲勞試驗(yàn)一般用于超高周疲勞試驗(yàn)，主要針對(duì)10⁹以上周次疲勞試驗(yàn)。

試驗(yàn)裝置主要包括：（1）超聲頻率發(fā)生器（將超聲正弦波電信號(hào)由50Hz轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>20kHz）；（2）壓力陶瓷換能器（將電源提供的電信號(hào)轉(zhuǎn)化成機(jī)械振動(dòng)信號(hào)）；（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）。試驗(yàn)裝置原理：由壓電陶瓷換能器、位移放大器和試樣組成的超聲疲勞試驗(yàn)機(jī)構(gòu)成了一個(gè)力學(xué)振動(dòng)系統(tǒng)，試樣的加載是由外加信號(hào)激勵(lì)試樣發(fā)生諧振，在試樣中產(chǎn)生諧振波來實(shí)現(xiàn)。

超聲法疲勞試驗(yàn)裝置示意圖

 

試樣分為拉壓試樣和三點(diǎn)彎曲試樣。

 

 

試樣示意圖

 

試驗(yàn)步驟：（1）對(duì)試樣進(jìn)行測(cè)量校準(zhǔn)；（2）安裝試樣，對(duì)稱拉壓試驗(yàn)中，試樣的一端固定放大器末端，另一端自由，非對(duì)稱拉壓試驗(yàn)中，試樣兩端分別固定在兩個(gè)放大器；（3）對(duì)所加載荷和試驗(yàn)頻率進(jìn)行參數(shù)設(shè)置；（4）開始試驗(yàn)，并記錄數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)處理：試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Basquin方程描述：σ_a=σ_f ^’(2N_f)^bλ。其中σ_a表示應(yīng)力幅，σ_f表示應(yīng)表示疲勞強(qiáng)度系數(shù)，N_f表示試驗(yàn)所得疲勞壽命，以 N_f為橫坐標(biāo)，以σ_a為縱坐標(biāo)繪制超聲疲勞S-N曲線。

 

4.5 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

 

來源：材易通