金屬疲勞試驗

疲勞試驗  fatigue test

 

   利用金屬試樣或模擬機件在各種環(huán)境下，經(jīng)受交變載荷循環(huán)作用而測定其疲勞性能判據(jù)，并研究其斷裂過程的試驗，即為金屬疲勞試驗。

   1829年德國人阿爾貝特(J.Albert)為解決礦山卷揚機服役過程中鋼索經(jīng)常發(fā)生突然斷裂,首先以10次/分的頻率進行疲勞試驗18521869年德國人沃勒(A.Whler)為研究機車車輛開始以15次／分的頻率對車輛部件進行拉伸疲勞試驗,以后又用試樣以72次/分的頻率在旋轉彎曲疲勞試驗機進行旋轉彎曲疲勞試驗，他的功績是指出一些金屬存在疲勞極限，并將疲勞試驗結果繪成應力與循環(huán)周次關系的-曲線（圖1[金屬的-曲線]金屬的<img http://baike.sososteel.com/doc/view/src=-曲線" class=image>）,又稱為Whler曲線。1849年英國人古德曼 (J.Goodman)首先考慮了平均應力不為零時非對稱載荷下的疲勞問題并提出耐久圖，為金屬制件的壽命估算和安全可靠服役奠定理論基礎。1946年德國人魏布爾 (W.Weibull)對大量疲勞試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析研究，提出對數(shù)疲勞壽命一般符合正態(tài)分布（高斯分布），闡明疲勞測試技術中應采用數(shù)理統(tǒng)計。

   60年代初，從斷裂力學觀點分析金屬疲勞問題，進一步擴大了疲勞研究內容。近年來，由于電液伺服閉環(huán)控制疲勞試驗機的出現(xiàn)以及近代無損檢驗技術、現(xiàn)代化儀器儀表等新技術的采用，促進了金屬疲勞測試技術的發(fā)展。今后應著重各種不同條件(特別是接近服役條件)下金屬及其制件的疲勞測試技術的研究。

   試驗種類和判據(jù)  金屬疲勞試驗種類很多，通常可分為高周疲勞、低周疲勞、熱疲勞、沖擊疲勞、腐蝕疲勞、接觸疲勞、聲致疲勞、真空疲勞、高溫疲勞、常溫疲勞、低溫疲勞、旋轉彎曲疲勞、平面彎曲疲勞、軸向加載疲勞、扭轉疲勞、復合應力疲勞等。應根據(jù)金屬制件的服役（工作）條件來選擇適宜的疲勞試驗方法，測試條件要盡量接近服役條件。進行金屬疲勞試驗的目的在于測定金屬的疲勞強度（抗力），由于試驗條件不同，表征金屬疲勞強度的判據(jù)（指標）也不一樣。

   高周疲勞  高周疲勞時，金屬疲勞強度判據(jù)是疲勞極限 (或條件疲勞極限)即金屬經(jīng)受“無限”多次(或規(guī)定周次)應力循環(huán)而不斷裂的最大應力,以表示，其中為應力比,即循環(huán)中最小與最大應力之比。在對稱循環(huán)應力下＝－1，疲勞極限表示為。工程金屬材料的疲勞極限與抗拉強度成正比,比值約為0.5，對疲勞試驗時選取第一個循環(huán)應力具有參考價值。

   金屬疲勞試驗時，應力隨時間一般呈正弦波形變化（圖2[循環(huán)應力類型]循環(huán)應力類型）,但有時也采用三角形、矩形等應力波形。金屬疲勞試驗時最廣泛采用的是旋轉彎曲疲勞試驗和軸向加載疲勞試驗。循環(huán)應力類型見圖2[ 循環(huán)應力類型] 循環(huán)應力類型。

   金屬在疲勞極限下實際所通過的最大循環(huán)次數(shù)稱為試驗基數(shù)。鋼鐵及鈦合金等,基數(shù)一般為10；對于有色金屬、特殊鋼及在高溫、腐蝕等試驗條件下，基數(shù)一般為10。一些金屬存在疲勞極限，對應地在-曲線上出現(xiàn)水平部分。一些金屬不存在疲勞極限,其-曲線無水平部分；隨循環(huán)周次增加，金屬所能承受的應力不斷減小，因此將對應于規(guī)定周次的應力稱為條件疲勞極限。

   金屬疲勞極限一般根據(jù)10個以上相同試樣的疲勞試驗結果所繪制的-曲線求得,或用升降法求得。金屬疲勞強度是一種對金屬外在缺陷、內在缺陷、顯微組織和環(huán)境條件非常敏感的性能，通過疲勞試驗所測定的試驗數(shù)據(jù)一般都很分散，即-曲線通常都是一個帶,由此求出的疲勞極限乃是一組試樣的統(tǒng)計平均值。

   不對稱循環(huán)應力疲勞  在不對稱循環(huán)應力下，一般采用在規(guī)定耐久期下表示極限循環(huán)應力與平均應力的耐久圖（圖3[金屬的耐久圖]金屬的耐久圖），表示疲勞試驗結果。

   低周疲勞  對于高應力大應變下的低周疲勞（周次一般為10～10），通常是進行恒應變控制低周疲勞試驗。應首先將試驗結果繪成低周疲勞壽命曲線（圖4[ 金屬低周疲勞壽命曲線] 金屬低周疲勞壽命曲線），然后從相關直線的截距和斜率求得下列表征金屬低周疲勞性能的判據(jù)：疲勞強度系數(shù)、疲勞塑性系數(shù)、疲勞強度指數(shù)、疲勞塑性指數(shù)。 循環(huán)應變硬化指數(shù)、循環(huán)強度系數(shù)等判據(jù)可從循環(huán)應力-應變曲線求得。

   影響疲勞試驗的因素  金屬疲勞試驗結果受很多因素影響,如試驗條件（試樣的尺寸、形狀和表面狀態(tài),試驗機類型，載荷特征，頻率、溫度及介質等）、冶金因素（晶粒度、顯微組織、冶金缺陷等）、操作技術（試樣安裝情況、加載同心度等）。為了保證金屬疲勞試驗結果的可靠性和可比性，必須設法避免上述各種因素的影響，嚴格控制疲勞測試相關條件的一致性。此外，殘余應力也是影響疲勞強度的一個重要因素，一般是殘余壓應力有利，殘余拉應力有害。為了減小殘余應力對疲勞試驗結果的影響，除樣坯應經(jīng)適當熱處理外，疲勞試樣的機械切削加工應采用多段、分級、逐步減小加工量的方法，精加工時以橫磨削、縱拋光為宜。

   疲勞斷口  金屬疲勞裂紋通常在表面層應力集中處(滑移帶、夾雜、析出微粒、劃痕、缺口、冶金缺陷等)萌生、而后擴展至斷裂。金屬疲勞斷裂表面的外觀形貌稱之為疲勞斷口。一般分為三區(qū)：即疲勞源（萌生疲勞裂紋的核心策源地）；疲勞裂紋擴展區(qū)（擴展過程中留下呈同心弧線的貝殼狀形貌，光亮平滑，顆粒細有時呈瓷狀）；終斷區(qū)（剩余截面不足以支承峰值應力因過載荷而靜斷，呈暗灰色纖維狀或晶粒狀）。

   在電子顯微鏡或光學顯微鏡高倍放大下，在金屬疲勞擴展區(qū)可顯示出垂直裂紋擴展方向而大致平行的疲勞條痕，每根條痕標志每一循環(huán)終了疲勞裂紋的位置，因此條痕間距可作為局部疲勞裂紋擴展率的度量。