金属疲劳试验金属疲劳试验大纲1. 通过金属材料疲劳实验，测定金属材料的T（107）,绘制材料的S-N曲 线,并观察疲劳破坏现象和断口特征,进而学会对称循环下测定金属材料疲 劳极限的方法.2．主要设备:纯弯曲疲劳试验机,游标卡尺;主要耗材:金属材料试样.（单点法 需 8-10 根试样, 成组法至少需 20 根试样 .）金属疲劳试验指导书在足够大的交变应力作用下，于金属构件外形突变或表面刻痕或内部缺陷 等部位，都可能因较大的应力集中引发微观裂纹分散的微观裂纹经过集结沟 通将形成宏观裂纹已形成的宏观裂纹逐渐缓慢地扩展，构件横截面逐步削弱， 当达到一定限度时，构件会突然断裂金属因交变应力引起的上述失效现象， 称为金属的疲劳静载下塑性性能很好的材料，当承受交变应力时，往往在应 力低于屈服极限没有明显塑性变形的情况下，突然断裂疲劳断口（见图 2－ 30）明显地分为两个区域：较为光滑的裂纹扩展区和较为粗糙的断裂区裂纹 形成后，交变应力使裂纹的两侧时而张开时而闭合，相互挤压反复研磨，光滑 区就是这样形成的载荷的间断和大小的变化，在光滑区留下多条裂纹前沿线 至于粗糙的断裂区，则是最后突然断裂形成的统计数据表明，机械零件的失 效，约有 70%左右是疲劳引起的，而且造成的事故大多数是灾难性的。
因此， 通过实验研究金属材料抗疲劳的性能是有实际意义的疲劳源断裂区疲劳裂纹扩展区一、实验目的1. 观察疲劳失效现象和断口特征2. 了解测定材料疲劳极限的方法二、 实验设备1. 疲劳试验机2. 游标卡尺三、 实验原理及方法在交变应力的应力循环中，最小应力和最大应力的比值 minr= ◎ (2-16)max称为循环特征或应力比在既定的r下，若试样的最大应力为1 ,经历N1m ax 1次循环后，发生疲劳失效，则N1称为最大应力为1时的疲劳寿命(简称寿1 m ax命)实验表明，在同一循环特征下，最大应力越大，则寿命越短；随着最大应 力的降低，寿命迅速增加表示最大应力 与寿命N的关系曲线称为应力-max寿命曲线或 S-N 曲线碳钢的 S-N 曲线如图2－31 所示从图线看出，当应力 降到某一极限值时，S-N曲线趋近于水平线即应力不超过时，寿命N rr 可无限增大称为疲劳极限或持久极限下标r表示循环特征实验表明，黑色金属试样如经历 107 次循环仍未失效，则再增加循环次数 一般也不会失效故可把107次循环下仍未失效的最大应力作为持久极限 而把N0=107称为循环基数有色金属的S-N曲线在N>5X108时往往仍未趋于 水平，通常规定一个循环基数N0,例如取N0=108,把它对应的最大应力作为'条件” 持久极限。
工程问题中，有时根据零件寿命的要求，在规定的某一循环次数下，测出 并称之为疲劳强度它有别于上面定义的疲劳极限max用旋转弯曲疲劳实验来测定对称循环的疲劳极限亠设备简单最常使用 各类旋转弯曲疲劳试验机大同小异，图2-32为这类试验机的原理示意图试样1 的两端装入左右两个心轴 2 后，旋紧左右两根螺杆 3使试样与两个心轴组成 一个承受弯曲的“整体梁”上，它支承于两端的滚珠轴承4上载荷P通过加 力架作用于“梁”上，其受力简图及弯矩图如图2-33 所示梁的中段（试样）1为纯弯曲，且弯矩为M=2Pa梁”由高速电机6带动，在套筒7中高速旋转, 于是试样横截面上任一点的弯曲正应力，皆为对称循环交变应力，若试样的最 小直径为d .，最小截面边缘上一点的最大和最小应力为minMd minb = 21 ，maxminMd min21(2-17)兀式中I=64d4. o试样每旋转一周，应力就完成一个循环试样断裂后，套筒压 min迫停止开关使试验机自动停机这时的循环次数可由计数器8中读出四、实验方法这里介绍的单点实验法的依据是标准HB5152-80 （第三机械工业部标准，金属室温旋转弯曲疲劳实验方法）这种方法在试样数量受限制的情况下，可用以近似地测定S-N曲线和粗略地估计疲劳极限。
更精确地确定材料抗疲劳的性能应采用升降法单点实验法至少需8~10根试样，第一根试样的最大应力约为］=（~） ob，经叫次循环后失效继取另一试样使其最大应力尸〜若其疲劳寿 b 1 2 b命N<107，则应降低应力再做直至在.作用下，N2>107这样，材料的持久 极限在0］与0 2之间2之间插入4〜5个等差应力水平，它们分 别为03、04、05、06，逐级递减进行实验，相应的寿命分别为N3、N4、N53 4 5 6 3 4 5、N6这就可能出现两种情况：（1）与06相应的N6<］07，持久极限在02与06 6 6 216之间7=2（ 0 2+ 0 6 ）再试，若N7<107，且7- 0 2小于控制精度△o *6 7 2 6 7 7 2（关于△o*，将在下面说明），即7- 0 2<^0 *，贝I」持久极限为o 7与o 2的平1均值，即1=2（o 7+o 2）o5滚动轴承套筒试样4滚动轴承高速电机8计数器加力架3螺杆停止开关撓性连轴节机架图2-33 试样受力弯矩图图2-32 疲劳试验机原理图1若N7>107,且 0 6- 0 7£厶0*,则 o 1 为 0 7与 o 6的平均值，即 o 1=2(o 7+o 6)o7 6 7 -1 7 6 -1 7 6(2)与06相应的N6>107，这时以o 6和0 5取代上述情况的o 2和0 6，用相同6 6 6 5 2 6的方法确定持久极限。
五、试样的制备同一批试样所用材料应为同一牌号和同一炉号，并要求质地均匀没有缺陷 疲劳强度与试样取料部位、锻压方向等有关，并受表面加工、热处理等工艺条 件的影响较大因此，试样取样应避免在型材端部，对锻件要取在同一锻压方 向或纤维延伸方向同批试样热处理工艺相同切削时应避免表面过热，引起 较大残余应力不能有周线方向的刀痕，试样的试验部位要磨削加工，粗糙度 为~过渡部位应有足够的过渡圆角半径圆弧形光滑小试样如图2-34所示，其最小直径为7〜10mm,试样的其他 外形尺寸，因疲劳试验机不同而异，没有统一规定7 I=『°・8〜0.2as ■ ■ - - — ■■- °fc:::1k1——-LL^图2-34圆弧型光滑试样六、实验步骤1 兀d .以M=2Pa和I= 64in代式(2-17)，求得最小直径截面上的最大弯曲正应为:+ P - a - dQ— -2 mi^ =兀-d 3min16a畀・d42 min64n d 3令K= 16a，则上式可改写成P=K2-18)K 称为加载乘数，它可根据试验机的尺寸 a 和试样的直径 dmin 事先算出，并制 min成表格在试样的应力确定后，便可计算出应施加的载荷P。
载荷中包括套 筒、砝码盘和加力架的重量G,所以，应加砝码的重量实为P=P-G=Ko -G (2-19)现将试验步骤简述如下：(1)测量试样最小直径d . ； (2)计算或查出K值； min(3)根据确定的应力水平由式()计算应加砝码的重量P'；(4)将试样安装 于套筒上，拧紧两根连接螺杆，使与试样成为一个整体；( 5)连接挠性连轴节；(6)加上砝码；(7)开机前托起砝码，在运转平稳后，迅速无冲击地加上砝码， 并将计数器调零；(8)试样断裂或记下寿命N,取下试样描绘疲劳破坏断口的 特征实验时应注意的事项：(1)未装试样前禁止启动试验机，以免挠性连轴节 甩出；(2)实验进行中如发现连接螺杆松动，应立即停机重新安装七、实验结果处理1. 下列情况实验数据无效：载荷过高致试样弯曲变形过大，造成中途停机；断 口有明显夹渣致使寿命偏低2. 将所得实验数据列表；然后以lgN为横坐标， 为纵坐标，绘制光滑的maxS-N曲线，并确定的大致数值3. 报告中绘出破坏断口，指出其特征。