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1、在工程应用中，结构件所受的应力总是低于材料的屈服强度q （。0.2）。通常，在低于屈 服强度的应力作用下，材料既不会发生塑性变形，更不会发生断裂。但是，在应力的重复作 用下，即使所受的应力低于屈服强度，材料也有可能发生断裂。这种现象便称为疲劳现象。 引起疲劳断裂的应力常低于材料的屈服强度，在这种情况下，疲劳断裂前不发生明显的塑性 变形。所以疲劳断裂通常属于低应力脆性断裂。一、实验目的1. 了解测定材料疲劳极限的方法；2. 观察疲劳失效和慢应变速率拉伸试验的宏观断口特征。二、实验设备1. 试验材料 X80、X90 管线钢。2. PLD-50KN-250NM拉扭疲劳试验机和PLT-10慢应变速率拉
2、伸试验机。3. VHX-600E 超景深显微镜三、实验原理1. 金属疲劳试验方法1-1)，经历 N1 次循环后，发生 max1在交变应力的应力循环中，最小应力和最大应力的比值为应力比r = minmax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b 疲劳失效，则N.称为最大应力r为时的b 疲劳寿命（简称寿命）。实验表明，在同一循环1max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bmax与寿命N的关系曲线称为应力-寿命曲线或S-N曲线。碳钢的S-N曲线如图1所示。由图可 见，当应力降到某一极限值b时，S-N曲线趋近于水平线。即应力不超过b时，寿命
3、N可无rr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b。而把N0=1O7称为循环基数。 r0有色金属的S-N曲线在N5X108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。图 1 疲劳试验 S-N 曲线工程问题中，有时根据零件寿命的要求，在规定的某一循环次数下，测出b，并称之max为疲劳强度。它有别于上面定义的疲劳极限。疲劳试验常采用循环加载，其加载波形如图 2所示扭转疲劳试验在 PLD
4、-100KN 型拉-拉电液伺服疲劳试验机上进行，扭转疲劳试验时，采用应力控制，加载频率为5Hz,加载波形为三角波，试验环境为实验室大气。四、实验方法1. 试验标准疲劳试验标准可参照GB/T 12443-2007金属材料扭应力疲劳试验方法和GB 3075-80 金属轴向疲劳试验方法进行试验。2. 试样疲劳试样的主要有圆柱形、漏斗形、板状，如图3 所示。3.试验参数的确定轴向应力由下式求得：FF（ 1-4）。由于试验机部（ 1-4）（ 1-5）C = 或 c =-兀 r 2ab式中，F为轴向应力，r为试验件的半径。试验过程中试验机的夹头以一定的位移速度移动，试样即以慢恒速（AL/At ）拉伸分的刚
5、度比试样高的多，所以试样伸长AL可用卡头的相应位移来代替。可按照下式计算AL 二L0AL 11 AL = =L At L Ato0式中： -工程应变；L-试样标矩长度； -应变速率；AL/At -夹头的位移速度。当夹头移动速度保持恒定时，可认为试样的应变速率保持不变。但严格地说，试样的应变速率应该是1 AL，L为瞬时标矩长度。事实上，在整个试验过程中L是一个变量，所以试样的应变速率在整个试L At0验过程中并不是恒定的量，而是变量。特别是对韧性金属材料拉伸时，一旦出现颈缩，则在颈缩区的实际 应变速率可能会增加一个数量级。这就有可能使试样的应变速率进入或者偏离临界应变速率范围。预制裂 纹试样裂纹
6、尖端塑性区尺寸如果保持相同，则应变速率也保持在一恒定值。因此，用预制裂纹试样做慢应 变速率试验要比采用普通的光滑试样更为合适、方便。五、试样的制备1. 取样及要求试验取样部位、取向和方法按有关标准和双方协议。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。2. 机加工所有的机械加工不允许改变试样的冶金组织或力学性能，且引起的试样表面加工硬化应 尽可能小。磨削精加工较硬材料的试样时，应提供足够的冷却液，确保试样表面不过热。工作部分与过度圆弧的连接应光滑，不应出现机加工痕迹。3. 表面抛光抛光后
7、，试样工作部分的表面粗糙度R的允许最大值为0.32卩ma六、试验过程1. 安装试样将试样紧固于试验机上，使试样与试验机夹头保持良好同轴；2. 试验参数设置；疲劳试验包括轴向应力幅、平均应力、试验频率，应力腐蚀试验包括横梁位移速度，试 样面积等；3. 测定试样的疲劳和应力腐蚀性能七、实验结果处理1. 记录试验数据，绘出相关曲线；2. 试验结束后使用酒精清洗断口，用吹风机吹干，测量测量断后伸长率断面收缩率等相 关指标；3. 使用超景深显微镜可以观察断口截面宏观形貌；使用扫描电镜可以进一步观察断口的 微观形貌；4. 断口观察结束后及时保存断口，避免发生氧化。图 4 典型的疲劳试验宏观断口图 5 典型的腐蚀疲劳宏观断口八、思考题1.疲劳试样的有效工作部分为什么要磨削加工，不允许有周向加工刀痕？2.疲劳宏观断口的三要素是什么？
