实验四实验四疲疲劳劳实实验验一、实验目的一、实验目的 1．观察金属材料在交变应力下的．观察金属材料在交变应力下的破坏情况破坏情况 2．了解疲劳实验的一般方法，加．了解疲劳实验的一般方法，加深理解材料疲劳极限的概念深理解材料疲劳极限的概念二、实验设备 1．纯弯曲疲劳试验机．纯弯曲疲劳试验机 2．百分表及表架．百分表及表架 3．钢板尺．钢板尺三、实验原理三、实验原理 金属材料在交变应力长期作用下发金属材料在交变应力长期作用下发生局部累计损伤，经一定循环次数突生局部累计损伤，经一定循环次数突然发生断裂的现象称做疲劳破坏疲然发生断裂的现象称做疲劳破坏疲劳破坏是一个裂纹形成、扩展、直至劳破坏是一个裂纹形成、扩展、直至最终断裂的过程在工作应力超过疲最终断裂的过程在工作应力超过疲劳极限劳极限σσr时，由于循环应力的反复交时，由于循环应力的反复交变，构件上应力最大或材料最薄弱的变，构件上应力最大或材料最薄弱的地方首先形成微裂纹地方首先形成微裂纹 随着循环次数的增加，裂纹按一随着循环次数的增加，裂纹按一定速率逐渐扩展，当裂纹面上的应力定速率逐渐扩展，当裂纹面上的应力达到材料的断裂强度时，就突然发生达到材料的断裂强度时，就突然发生断裂。
断裂时，宏观上没有明显的塑断裂断裂时，宏观上没有明显的塑性变形，因此表现为脆断疲劳断口性变形，因此表现为脆断疲劳断口明显地分成光滑区（裂纹扩展区）和明显地分成光滑区（裂纹扩展区）和粗糙区（最后断裂区）粗糙区（最后断裂区） 金属材料的抗疲劳性能常用金属材料的抗疲劳性能常用S-N曲曲线（即应力线（即应力-寿命曲线）来描述寿命曲线）来描述S-N曲线常以最大应力曲线常以最大应力σσmax或应力或应力幅幅σσ为纵坐标；断裂前的循环次数为纵坐标；断裂前的循环次数N （（疲劳寿命）为横坐标在疲劳寿命）为横坐标在S-N曲线的曲线的高应力区，应力高应力区，应力σσ与疲劳寿命与疲劳寿命N有对应有对应关系，应力关系，应力σσ愈大、疲劳寿命愈大、疲劳寿命N 愈低愈低常称为有限寿命常称为有限寿命 图图4－－1 对于一般碳钢，在应力下降到一定程对于一般碳钢，在应力下降到一定程度时，如果经受度时，如果经受107次循环仍不破坏，试验次循环仍不破坏，试验证明循环继续下去试样也不发生破坏，证明循环继续下去试样也不发生破坏，S-N曲线表现出明显的水平部分，相应的最大曲线表现出明显的水平部分，相应的最大应力应力σσmax称做材料的疲劳极限记做称做材料的疲劳极限记做σσr。
而某些合金钢和有色金属它们在经受而某些合金钢和有色金属它们在经受107次次循环后仍会发生破坏，循环后仍会发生破坏，S-N曲线上没有明显曲线上没有明显的水平部分，它们的疲劳极限的水平部分，它们的疲劳极限σσr 可采用规可采用规定循环次数定循环次数N0的办法来确定，的办法来确定，N0一般规定一般规定为为107或或108次 应力比r =σmin/σmax= －1时称做对称循环，对于同种材料，对称循环的疲劳极限σ－1最低，作为疲劳强度设计的依据最保险，所以S-N曲线常在纯弯曲对称循环条件下测定图图4 - 2 疲劳试样的形式和尺寸取决于试验机疲劳试样的形式和尺寸取决于试验机的类型和实际工作的需要由于疲劳强度的类型和实际工作的需要由于疲劳强度对试样表面的缺陷十分敏感，所以试样加对试样表面的缺陷十分敏感，所以试样加工应非常严格地按有关标准进行工应非常严格地按有关标准进行试验时，试样随夹头一起高速旋转，试验时，试样随夹头一起高速旋转，由于载荷方向始终保持不变，试样上各点由于载荷方向始终保持不变，试样上各点的应力大小和方向由的应力大小和方向由0→→σσmax→→0→σ→σmin→→0 反复变化，表面的最大应力为（图反复变化，表面的最大应力为（图4-2）：）：σσmax= = d0代表试样的直径。
代表试样的直径1、疲劳极限、疲劳极限σ－σ－1的测试的测试 疲劳极限疲劳极限σσ－－1在在S－－N曲线的低应力区，用曲线的低应力区，用升降法测定升降法测定试样数量通常需试样数量通常需13根以上在根以上在N0一定的条一定的条件下，试验一般在件下，试验一般在3～～5级应力水平下进行，应级应力水平下进行，应力增量力增量ΔΔσσ一般为一般为予计疲劳极限的予计疲劳极限的3～～5% 第一根试样的应力水平略高于予计的疲劳极限第一根试样的应力水平略高于予计的疲劳极限根据上一根试样根据上一根试样的试验结果（断与不断），的试验结果（断与不断），决定下一根试样的应力（降低还是升高），直决定下一根试样的应力（降低还是升高），直至完成全部试验当至完成全部试验当N第一次出现一对断与不第一次出现一对断与不断的相反结果时，那么它们以前的试验数据如断的相反结果时，那么它们以前的试验数据如果处在后面试验数据的波动范围之外，则予以果处在后面试验数据的波动范围之外，则予以舍弃；如处在上述波动范围之内，则作为有效舍弃；如处在上述波动范围之内，则作为有效数据加以利用数据加以利用 实际上，许多试样的试验结果落在一实际上，许多试样的试验结果落在一个带内。
因此疲劳极限是一组试样的统计个带内因此疲劳极限是一组试样的统计平均值疲劳极限按下式计算：平均值疲劳极限按下式计算：σσ－－1= MPa 式中：式中：m－－有效试验的总次数（断与不断的数据有效试验的总次数（断与不断的数据均统计在内）；均统计在内）；n －－试验应力水平级数；试验应力水平级数；σσi－－第第i级应力水平；级应力水平；vi－－第第i级应力水平下的试验次数级应力水平下的试验次数2、S-N曲线的测试 在在S-N曲线上，用升降法测得的疲劳极曲线上，用升降法测得的疲劳极限记作限记作σσ－－1为为S－－N曲线的低应力水平点；曲线的低应力水平点；而有限寿命的高应力水平区应在而有限寿命的高应力水平区应在3～～4级较高级较高的应力水平下进行成组试验每组投放的的应力水平下进行成组试验每组投放的试样一般随应力水平降低而逐渐增加通试样一般随应力水平降低而逐渐增加通常一组试样约常一组试样约5根左右试验结果一般用图根左右试验结果一般用图解法表示以解法表示以σσ为纵坐标，为纵坐标，N为横坐标（为横坐标（N 均采用对数坐标）然后用最佳拟合法绘均采用对数坐标）。
然后用最佳拟合法绘制成完整的制成完整的S-N曲线四、实验步骤四、实验步骤 1．测定材料的．测定材料的σσb，，拟定疲劳实验的加载方案拟定疲劳实验的加载方案 2．检查机器联接情况，选择同一规格的试件．检查机器联接情况，选择同一规格的试件8～～12 根，安装第一根试件并进行各项调整和检查根，安装第一根试件并进行各项调整和检查 3．安装完毕，经教师检查许可后方可开车实验，．安装完毕，经教师检查许可后方可开车实验，逐渐加上载荷，并记下计数器初读数逐渐加上载荷，并记下计数器初读数 4．试件断裂后，马达自行停车，记下计数器读数，．试件断裂后，马达自行停车，记下计数器读数，卸下载荷，取下试件，观察疲劳断口情况卸下载荷，取下试件，观察疲劳断口情况 5．按上述方法逐根实验，所得．按上述方法逐根实验，所得N−σσ数据描在坐数据描在坐标纸上，即可得疲劳曲线，求出疲劳极限标纸上，即可得疲劳曲线，求出疲劳极限σσ-1 特殊说明：特殊说明：本实验因时间、物力消耗太多、学本实验因时间、物力消耗太多、学时有限，在有条件的情况下只能作参时有限，在有条件的情况下只能作参观性实验，了解实验设备、实验原理、观性实验，了解实验设备、实验原理、和测试方法。
和测试方法五、注意事项五、注意事项 1．开车后，马达若有杂音应立即停车检查．开车后，马达若有杂音应立即停车检查 2．实验进行中，切勿接近旋转部分，留有．实验进行中，切勿接近旋转部分，留有长发的同学应带安全帽，以防止发生伤人长发的同学应带安全帽，以防止发生伤人事故六、思考题六、思考题 1、疲劳破坏的机理是什么？、疲劳破坏的机理是什么？ 2、在交变应力作用下，为什么构件的、在交变应力作用下，为什么构件的σσmax甚至低于甚至低于σσS时就会发生疲劳破坏？时就会发生疲劳破坏？ 3、疲劳断口有什么特点？、疲劳断口有什么特点？。