第三章疲勞試驗設計與數(shù)據(jù)處理

1、 第三章 疲勞試驗方法及其數(shù)據(jù)處理 第一節(jié) 疲勞試驗與疲勞試驗機的發(fā)展 一、疲勞試驗機發(fā)展 1、50年設計了旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗機，用于研究各種軸類零件的疲勞試驗。 2、 50年代研制出了閉環(huán)控制的電液伺服疲勞試驗機。 3、 60年代大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，制造了能夠模擬零件或構(gòu)件服役載荷工況的隨機疲勞試驗機。 4、 70年代使用計算機控制的電液伺服疲勞試驗機進行隨機疲勞試驗。 5、90年代后期，人們發(fā)現(xiàn)材料的疲勞現(xiàn)象與循環(huán)應力作用的頻率無關，或者說應力循環(huán)頻率對疲勞影響很小。人們設計了高頻疲勞試驗機和超聲波疲勞試驗機。 6、現(xiàn)階段用的試驗機：MTS, 動靜疲勞試驗機，旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗機、高頻疲勞試

2、驗機、超聲波疲勞試驗機等。四柱式動靜液壓伺服疲勞試驗機高頻疲勞試驗機 二、疲勞試驗機的工作原理 （1）動靜液壓伺服疲勞試驗機 組成：油源（液壓泵） 伺服閥 作動器（液壓油缸） 傳感器（壓力、位移） 試件。 工業(yè)控制計算機：（1）伺服閥的控制，產(chǎn)生疲勞試驗載荷；（2）壓力傳感器信號采集及其處理；（3）位移傳感器信號采集及其處理；（4）油源的開啟停止等控制。 工作主機-主機框架，安裝作動器和安裝試件。 試驗機技術指標： 最大動態(tài)試驗力 500KN 試驗頻率 0.0120Hz 試驗波形 正弦波、方波、三角波、斜波、程序塊。 夾頭之間距離 不小于1000mm 立柱間距尺寸 930930mm 工作臺 1

3、5001500mm 2、高頻疲勞試驗機 工作原理：采用電磁激勵，使試件（彈簧）共振原理。m1m0振蕩系統(tǒng)質(zhì)量m1逆質(zhì)量m0試件的彈性變形其他彈性質(zhì)量工作臺m0砝碼質(zhì)量m0 （1）機器的諧振頻率是以試樣的剛性和砝碼質(zhì)量m1的大小改變來決定。 （2）砝碼質(zhì)量分為8級，可改變砝碼質(zhì)量來調(diào)節(jié)頻率。 （3）松開砝碼螺絲，電磁激活產(chǎn)生共振而運行。 （4）當激振器產(chǎn)生的激振力的頻率和相位與振蕩系統(tǒng)的固有頻率一致時，系統(tǒng)便發(fā)生共振，這時配置質(zhì)量在共振狀態(tài)下產(chǎn)生的慣性力往復作用在試樣上，來完成對試樣的疲勞試驗。 三、單軸和多軸疲勞試驗 單純從所受應力狀態(tài)來分析，則疲勞大體上可分為單軸和多軸疲勞。 單軸疲勞是指材

4、料或零件在單向循環(huán)載荷作用下所產(chǎn)生的失效現(xiàn)象。零件只受單向正應力（應變）或單向切應力（應變），如只承受單向拉壓循環(huán)應力，彎曲應力或扭轉(zhuǎn)循環(huán)應力。 多軸疲勞是指多向應力或應變作用下的疲勞，也稱為復合疲勞。多軸疲勞損傷發(fā)生在多軸循環(huán)加載條件下，加載過程中有兩個或三個應力（或應變）分量獨立地隨時間發(fā)生周期性變化，應力分量可以是同相位的，按比例的，也可以是非同相的、非比例的。 各種壓力容器、航天飛行器、核電站、交通運輸工具中的一些重要零件通常是承受復雜的多軸比例與多軸非比例交互循環(huán)載荷的作用。 早期處理復雜應力狀態(tài)下的多軸疲勞問題時，將多軸問題利用靜強度理論等效成單軸狀態(tài)，然后利用單軸疲勞理論處理復雜

5、的多軸疲勞問題，這種的處理方法在處理比例加載下的多軸疲勞問題是有效的。但實際工程結(jié)構(gòu)和設備的重要結(jié)構(gòu)零部件，很多是在非比例多軸加載作用下服役。 第二節(jié) 疲勞及其分類 一、疲勞概念 材料和機械零部件在交變應力作用下，在應力遠遠低于材料的屈服強度s的若干個循環(huán)下發(fā)展的突然斷裂現(xiàn)象。 由于疲勞結(jié)果存在很大的分散性，因此在疲勞試驗中要采用數(shù)理統(tǒng)計學的方法處理數(shù)據(jù)及合理安排試驗程序。 研究指出：疲勞裂紋形成壽命存在很大的分散性，而疲勞裂紋的擴展壽命分散性較少。 二、疲勞的分類 （1）按研究對象可以分為材料疲勞和結(jié)構(gòu)疲勞； 材料疲勞-研究材料的SN曲線、失效機理和化學成分、微觀組織對疲勞強度的影響。 結(jié)構(gòu)

6、疲勞-以零部件、接頭以至整機為研究對象。研究他們的疲勞性能，抗疲勞設計方法，壽命評估方法和疲勞試驗方法，形狀、尺寸和工藝因素的影響，以及提高疲勞強度方法。 （2）按失效周次可以分為高周和低周疲勞 高周疲勞-材料在低于其屈服強度s的循環(huán)應力作用，經(jīng)過104105以上循環(huán)產(chǎn)生的失效。 低周疲勞-材料在接近或超過屈服強度s的應力作用下，低于104105次塑性應變循環(huán)產(chǎn)生的失效。 兩者的主要區(qū)別在于塑性應變的程度不同，高周一般應力低，材料處于彈性范圍，而低周疲勞產(chǎn)生較大塑性變形，以應變?yōu)閰?shù)。 （3）按應力狀態(tài)可以分為單軸疲勞和多軸疲勞； 單軸疲勞-單向正應力或單向切應力。例如：單向拉壓疲勞，彎曲疲勞

7、或扭轉(zhuǎn)循環(huán)應力。 多軸疲勞-多向應力作用下疲勞（復合疲勞）。例如：彎扭復合疲勞，雙軸拉伸疲勞，三軸應力，拉伸內(nèi)壓疲勞，缺口處的應力狀態(tài)也往往是多軸疲勞。 （4）按載荷變化情況可以分為恒幅疲勞、變幅疲勞和隨機疲勞； 恒幅疲勞-載荷中，所有峰值載荷相等和所有谷值載荷相等的。 變幅疲勞-所有峰值載荷不等和所有谷值載荷不等，或兩者均不相等的載荷。 隨機疲勞-疲勞載荷中，峰值載荷和谷值載荷及其序列是隨機出現(xiàn)譜載荷。幅值和頻率都是隨機變化的，而是不確定的。 （5）按載荷工況和工作環(huán)境分為常規(guī)疲勞、高低溫疲勞、腐蝕疲勞、接觸疲勞、微動磨損疲勞和沖擊疲勞。第三節(jié) 疲勞試樣及其制備 一、典型材料疲勞試樣：光滑試

8、樣、缺口試樣、低周疲勞試樣和疲勞擴展試樣。 光滑試樣、缺口試樣-用于測試高周疲勞裂紋形成壽命。 低周疲勞試樣-在高應力水平下通過對循環(huán)應變控制承受載荷，測試低周疲勞裂紋形成。 疲勞擴展試樣-用于測試裂紋擴展壽命。 二、應力集中對疲勞強度影響極大，是各種影響因素中起主要作用的因素。 實際構(gòu)件或多或少存在應力集中，目前對高周疲勞廣泛地采用缺口試樣進行疲勞試驗，以模擬實際構(gòu)件的應力集中狀態(tài)。 三、疲勞試樣組成 試驗段、夾持部分及二者之間的過渡部分。 四、試樣制備應主要的問題 （1）切去毛坯時，要注明取材的部位，并按一定位置順序標號。 （2）對試樣進行機械加工時，需要防止表面的冷作或過熱，同時保證同心

9、度，避免試驗段橫截面偏心。 （3）對試樣熱處理工序的安排，根據(jù)熱處理的目的而定。 （4）對拋光后的試樣的試驗段進行尺寸測量時，應當注意不要使試樣表面受到劃傷。 （5）對已制備好的試樣應當進行表面質(zhì)量的檢驗，甚至需要內(nèi)部質(zhì)量的檢驗。如X探傷等。 五、各種疲勞試樣 1、光滑試樣有四種：軸向加載試樣（圓試樣和光滑板試樣）、平面彎曲試樣、旋轉(zhuǎn)彎曲試樣和扭轉(zhuǎn)試樣。軸向加載光滑圓試樣和光滑板試樣懸臂式平面彎曲疲勞試樣（多危險截面）懸臂式旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣（多危險截面）懸臂式旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣（單危險截面）純彎式旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣 2、缺口試樣 對于帶邊緣缺口、中心圓孔和溝槽等試樣統(tǒng)稱為“缺口試樣”。 缺口試樣的

10、疲勞性能主要取決于缺口處的應力集中因素Kt值。 或maxmin/tKmaxmin/tK 3、低周疲勞試樣 d=6.35、10、12.5 4、疲勞裂紋擴展試樣 測定da/dN試驗采用緊湊拉伸CT和中心裂紋拉伸CCT兩種標準試樣。 對于CT試樣： 對于CCT試樣：max0.221.25/()pWaPB2max0.2(4 )(/)pWaK光滑圓試樣夾持鏈條疲勞試驗夾持板型試樣夾持四點彎曲試樣夾持連桿構(gòu)件疲勞夾持第四節(jié) 可疑觀測值的取舍 在處理疲勞試驗結(jié)果時，常常會發(fā)現(xiàn)某一數(shù)據(jù)中某一觀測值與其它觀測值差別很大，這種過大或過小的觀測值叫做“可疑觀測值”。 可疑觀測值的取舍，應從以下兩個方面來考慮： 1、

11、從物理現(xiàn)象上考慮 當測出的疲勞壽命過小時，有可能是由于試樣本身的缺陷所致。夾雜、空穴、劃傷、銹蝕、加工刀痕、載荷偏心、機器的側(cè)振和跳動量過大等。 對于過大觀測值的出現(xiàn)，其中一重要原因，由于操作不當，在調(diào)試設備時施加一次過大的載荷引起了加工硬化。這對缺口試樣或?qū)嶋H構(gòu)件影響特別顯著。 2、從數(shù)學方法上考慮 基于概率的觀點：在同一試驗條件下，取得過大或過小的觀測值是屬于小概率事件，根據(jù)小概率事件幾乎不可能出現(xiàn)的原理來確定取舍的準則。 介紹一種常用的“肖維爾準則”。該準則基于正態(tài)分布理論。 、分別由子樣平均值 和標準差s來估計。在一組n個觀測值中，當可疑值xm小于下限a或大于上限b時，則xm可以取舍。

12、取舍區(qū)間是用一個小概率1/(2n)來確定的。 例如：n=11, 1/(2n)=4.55%。此時a點以左正態(tài)曲線以下包圍的面積4.55%的一半。x 舍棄原則：計算 和s時，應將xm這一數(shù)值考慮在內(nèi)。x第五節(jié) 常規(guī)的單點試驗法 一般是先根據(jù)材料的抗拉強度b估算一個疲勞極限值，然后再在估算值高一定百分數(shù)的應力水平下開始進行疲勞試驗，以后再根據(jù)前一根試樣的疲勞壽命逐步降低應力進行下根試樣的疲勞試驗，直至有一根試樣到試驗基數(shù)以后不發(fā)生斷裂為止。不斷試樣與相鄰應力水平的應力平均值-疲勞極限。 一般準備10根材料和尺寸均相同的一組試樣，57供試驗用，其它作備用。彎曲載荷下的常規(guī)單點疲勞試驗：（1）先用-1=

13、0.47b的近似公式估算材料疲勞極限-1。（2）對于b800MP的鋼，第一根試樣的應力取為1=1.3 -1 ；對于b 800MP的鋼，第一根試樣的應力取為1=1.12 -1 。（3）第二根試樣的應力與第一根試樣的破壞循環(huán)數(shù)有關。當N12105次循環(huán)時，第二根試樣的應力2=120MP；當N12105次循環(huán)時， 2=120MP。這樣，頭兩根試樣確定出的是SN曲線的上面部分。（4）第三根試樣應力的選擇與頭兩根試樣的破壞循環(huán)數(shù)有關。當N1（或N2）=（13.5）105次循環(huán)時，3=0.86 1（或2）；當N1（或N2）=（3.510）105次循環(huán)時， 3=0.88 1（或2）。（5）第四根試樣的應力規(guī)

14、定如果第三根試樣在N=107次循環(huán)沒有破壞：當1 2時， 4=（3+ 1 ）/2；當1 2時， 4=（3+ 2 ）/2。 如果第三根試樣在N3 107次下破壞了，則4=3-（2030）MP。因此，應力4接近于-1。（6）若3和4中有一根試樣在107次循環(huán)以前破壞，另一根試樣在107次循環(huán)時未破壞，則第五根試樣的應力選擇為（3+ 4 ）/2；若3和4均在107次循環(huán)以前破壞，則5=4-（2030）MP。若第五根試樣到試驗循環(huán)基數(shù)時未破壞，則疲勞極限等于5和比它高一級的破壞應力的平均值；若第五根試樣到試驗循環(huán)基數(shù)以前破壞，則疲勞極限等于5和比它低一級的破壞應力的平均值。 疲勞試驗結(jié)果的要求： 當疲

15、勞極限在100MP以內(nèi)時，疲勞極限的兩級應力之差一般不應高于3MP。 當疲勞極限在100200MP，不高于5MP。 當疲勞極限在200400MP，不高于10MP。 當疲勞極限大于400MP，不高于15MP。 用逐點描跡法 畫出SN曲線第六節(jié) 小子樣升降法 由于疲勞性能的分散性，常規(guī)法求出的疲勞極限很不精確，要想求得精確的疲勞極限，必須使用升降法。為了減少試樣數(shù)，高鎮(zhèn)同教授在“配對”理論基礎上，提出了節(jié)約試樣的小子樣升降法。 實驗前先用常規(guī)法或估算法估算出粗略的疲勞極限值，然后根據(jù)估算的疲勞極限值確定出應力級差，試驗時先在略高于疲勞極限估算值的應力下開始試驗。若第一根試樣在達到試驗基數(shù)以前破壞，

16、則下一根試樣的試驗應力降低一個級差；若第一根試樣在達到試驗基數(shù)時未破壞（即越出），則下一根試樣的試驗應力增加一個級差。以后的試樣，也都按與此相同的方法繼 續(xù)進行試驗。下圖為這種方法 進行試驗的一個典型升降圖， 圖中“”表示破壞；“”表示 為破壞。 在處理試驗結(jié)果時，在出現(xiàn)第一對相反結(jié)果以前的數(shù)據(jù)均應舍棄，這些試樣為無效試樣。則出現(xiàn)的第一對相反結(jié)果3和4的應力平均值（3+ 4 ）/2就是常規(guī)法的疲勞極限。同樣，以后出現(xiàn)的相鄰相反數(shù)據(jù)點的平均值也都相當于常規(guī)法疲勞極限。將這些用配對法得出的疲勞數(shù)據(jù)作為疲勞極限的數(shù)據(jù)點進行統(tǒng)計處理，即可得到疲勞極限的平均值和標準差。第七節(jié) 成組試驗法 指在一指定應力

17、（或應變）水平下，根據(jù)一組試樣試驗結(jié)果，測定中值疲勞壽命或安全疲勞壽命。 主要適用于中、短壽命區(qū)，壽命在106循環(huán)范圍之內(nèi)。 實踐表明：疲勞壽命遵循對數(shù)正態(tài)分布或威布爾分布。鑒于正態(tài)分布在確定置信度和最小試樣個數(shù)方面的優(yōu)越性，因此采用疲勞壽命遵循對數(shù)正態(tài)分布的假定，以進行中值疲勞壽命和安全疲勞壽命測定。 一、中值疲勞壽命測定 利用成組試驗法測定具有50%可靠度的中值疲勞壽命時，每組有效試樣個數(shù)n不得少于3個。 處理數(shù)據(jù)時，預先將各個疲勞壽命觀測值均取成對數(shù)，然后計算子樣平均值 和子樣標準差s。 觀測值個數(shù)n應滿足下式： max誤差限度，可取1%10%。 當給定置信度（ 90% 、 95% ）時

18、，tr可由表查出。x二、安全壽命測定利用成組試驗法測定具有高可靠度的安全壽命時，可采用解析法和作圖法，也可同時使用兩種方法。（1）解析法每組有效試樣不得少于6個，處理數(shù)據(jù)時，先對各個疲勞壽命觀測值取成對數(shù)。步驟如下: （1）計算 ； （2）計算標準差s；（3）確定最少觀測值的個數(shù)。（4）估計安全壽命。對于誤差限度max=5%和可靠度p=99.9%,根據(jù)變異系數(shù)s/ 和給定置信度，按照下式所需最少觀測值個數(shù)n。xxx式中：p-對應任一可靠度p的標準正態(tài)偏量； -標準差修正系數(shù)，根據(jù)n的大小，可查表。估計安全壽命：式中：-對數(shù)疲勞壽命母體平均值 -對數(shù)疲勞壽命母體標準差。例題：利用解析法和作圖法求

19、表8-2的已知數(shù)據(jù)的安全壽命。第八節(jié) 極大似然法獲得pSN曲線 利用極大似然法原理，并借助計算機的運算提出簡便的疲勞性能測試方法。 本方法可大大節(jié)省試件和試驗時間，并具有一定的精度。 黑板講解！第九節(jié) pSN曲線的三參數(shù)冪函數(shù)擬合 在中、長壽命區(qū)，SN曲線和pSN曲線可用三參數(shù)冪函數(shù)公式擬合。 黑板講解！第十節(jié) 疲勞裂紋擴展速率試驗方法及da/dNK曲線 一、試驗方法 （1）試驗內(nèi)容 試驗采用CT和CCT兩種標準試樣，測定金屬材料大于10-5mm/次恒幅載荷疲勞裂紋擴展速率，其結(jié)果表示為指定R下的da/dNK數(shù)據(jù)與圖表。 （2） da/dN數(shù)據(jù)獲取 采用七點梯增多項式數(shù)據(jù)處理方法，對測得的aN數(shù)據(jù)進行處理而得。 （3） K表達式。a/W0.2時，表達式有效。 （4）a值目測技術要求 當B/W0.15時，必須在試樣前、后兩個表面測量a。 對于CT試樣，取前、后測量值的平均值。 對CCT試樣取前、后、左、右四個面測量值的平均值。 裂紋長度測量要求具有分辨率0.1mm的能力，最好在試樣上貼參考標