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疲勞試驗(yàn),這些未必你都知道!
閱讀：921 發(fā)布時(shí)間：2021-5-25
疲勞試驗(yàn),這些未必你都知道!
導(dǎo)讀：
1860年,，維勒(Wöhler)在解決火車(chē)軸斷裂時(shí)，首先提出了疲勞曲線和疲勞極限的概念,，所以后人也稱(chēng)該曲線為維勒曲線,。
1954年1月10日,，BOAC的一架“彗星”在意大利厄爾巴島上空7800米處解體,。
4月8日，BOAC的又一架“彗星”栽入意大利那不勒斯灣,，機(jī)上21人罹難,。至此，“彗星”全部停飛,。
“彗星”頻繁隕落,，震驚了世界。
當(dāng)時(shí),，英國(guó)首相丘吉爾下令,，要不惜一切代價(jià)搞清事故原因。
為此,，英國(guó)出動(dòng)艦隊(duì),，將厄爾巴島附近海域失事的飛機(jī)殘骸從上百米深的海底打撈起來(lái)，送到英國(guó)飛機(jī)研究院進(jìn)行調(diào)查,。
調(diào)查發(fā)現(xiàn),，空難死者的肺部有因氣體膨脹而引起的裂痕，說(shuō)明失事前機(jī)艙內(nèi)氣壓突然減小,，使肺內(nèi)氣體急劇膨脹而導(dǎo)致肺部破裂,。而對(duì)飛機(jī)殘骸的研究表明，部分舷窗出現(xiàn)了裂痕,，這一發(fā)現(xiàn)與尸檢結(jié)論相吻合,。
與此同時(shí),，德哈維蘭公司對(duì)正在生產(chǎn)和已停飛的飛機(jī)進(jìn)行嚴(yán)格檢查,，試驗(yàn)進(jìn)行了9000多個(gè)小時(shí)，飛機(jī)蒙皮出現(xiàn)了裂痕,，與失事飛機(jī)殘骸上的裂痕一樣,。
經(jīng)過(guò)技術(shù)人員研究分析，事故是由制造飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)的金屬材料“疲勞”所致,。
機(jī)械零件在交變壓力作用下,，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，在局部高應(yīng)力區(qū)形成微小裂紋,，再由微小裂紋逐漸擴(kuò)展以致斷裂,。
疲勞破壞具有在時(shí)間上的突發(fā)性、位置上的局部性及對(duì)環(huán)境和缺陷的敏感性等特點(diǎn),，不易被及時(shí)發(fā)現(xiàn),。
“彗星”飛機(jī)方形舷窗處的蒙皮，在反復(fù)增壓和減壓的沖擊下，產(chǎn)生變形,、裂紋,，最終導(dǎo)致金屬疲勞斷裂。作為一種噴氣式客機(jī),，“彗星”比其他客機(jī)都飛得快,，承受的壓力自然也大，更容易產(chǎn)生金屬疲勞問(wèn)題,。
由此,，通過(guò)對(duì)“彗星”事故的調(diào)查，誕生了一門(mén)新的學(xué)科---“疲勞力學(xué)”,。
今天咱們就來(lái)熟悉和了解一下關(guān)于：疲勞曲線及基本疲勞力學(xué)性能,。
01.疲勞曲線和對(duì)稱(chēng)循環(huán)疲勞曲線
(一)疲勞曲線和疲勞極限
疲勞曲線：是疲勞應(yīng)力與疲勞壽命的關(guān)系曲線，即S-N曲線,，是確定疲勞極限,、建立疲勞應(yīng)力判據(jù)的基礎(chǔ)。
對(duì)于一般具有應(yīng)變時(shí)效的金屬材料,，如碳鋼,、球鐵等，當(dāng)循環(huán)應(yīng)力水平降到某一臨界值時(shí),，低應(yīng)力段變?yōu)樗骄€段,，表明試樣可以經(jīng)無(wú)限次應(yīng)力循環(huán)也不發(fā)生疲勞斷裂，故將對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱(chēng)為疲勞極限,，記為σ-1(對(duì)稱(chēng)循環(huán),，r=-1)。
這類(lèi)材料如果應(yīng)力循環(huán)107周次不斷裂,，則可認(rèn)定承受無(wú)限次應(yīng)力循環(huán)也不會(huì)斷裂,，所以常將107周次作為測(cè)定疲勞極限的基數(shù)。
另一類(lèi)金屬材料,，如鋁合金,、不銹鋼等，其S-N曲線沒(méi)有水平部分,，只是隨應(yīng)力降低,，循環(huán)周次不斷增大，此時(shí)只能根據(jù)材料的使用要求規(guī)定某一循環(huán)周次下不發(fā)生斷裂的應(yīng)力作為條件疲勞極限,，或稱(chēng)有限壽命疲勞極限,。
(二)疲勞曲線的測(cè)定
通常疲勞曲線用旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)測(cè)定，其四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)機(jī)原理見(jiàn)下圖,。
S-N曲線的高應(yīng)力(有限壽命)部分用成組試驗(yàn)法測(cè)定,，即取3-4級(jí)較高應(yīng)力水平,，在每級(jí)應(yīng)力水平下，測(cè)定5根左右試樣的數(shù)據(jù),，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,，計(jì)算中值(存活率50%)的疲勞壽命。
用升降法測(cè)得的σ-1作為S-N曲線的低應(yīng)力水平點(diǎn),，與成組試驗(yàn)法的測(cè)定結(jié)果擬合成直線或曲線,，就可得到存活率為50%的中值S-N曲線。
(三)不同應(yīng)力狀態(tài)下的疲勞極限
同一材料,，不同應(yīng)力狀態(tài)下的疲勞極限不同,，但它們之間存在一定聯(lián)系。
實(shí)驗(yàn)確定：對(duì)稱(chēng)彎曲疲勞極限與對(duì)稱(chēng)拉壓,、扭轉(zhuǎn)疲勞極限之間存在一定關(guān)系,。
(四)疲勞極限與靜強(qiáng)度的關(guān)系
試驗(yàn)表明，金屬材料的抗拉強(qiáng)度越大,，其疲勞極限也越大,。
對(duì)于中、低強(qiáng)度鋼,，疲勞極限與抗拉強(qiáng)度間大體呈線性關(guān)系,。
σb較低時(shí)，可近似寫(xiě)成σ-1=σb,。
σb較高時(shí),，這種近線性關(guān)系就會(huì)發(fā)生偏離，這是由于強(qiáng)度較高時(shí),，材料的塑性和斷裂韌性下降,，裂紋易于形成和擴(kuò)展所致。
02.疲勞圖和不對(duì)稱(chēng)循環(huán)疲勞極限
很多機(jī)件是在不對(duì)稱(chēng)循環(huán)載荷下工作的,，因此還需要測(cè)定材料的不對(duì)稱(chēng)循環(huán)疲勞極限,，以滿足這類(lèi)機(jī)件的設(shè)計(jì)和選材的需要。
通常用工程作圖法,，由疲勞圖求得各種不對(duì)稱(chēng)循環(huán)的疲勞極限,。
根據(jù)不同的作圖方法有兩種疲勞圖：
(一)σa-σm疲勞圖
在不同應(yīng)力比r條件下將σmax表示的疲勞極限σr分解為σa和σm,，并在該坐標(biāo)系中作ABC曲線,，則得到σa-σm疲勞圖。
(二)σmax(σmin)-σm疲勞圖
將不同應(yīng)力比r下的疲勞極限,，分別以σmax(σmin)和σm表示于坐標(biāo)系中,，就形成疲勞圖。
AHB就是在不同r下的疲勞極限σmax,。
疲勞極限隨平均應(yīng)力或應(yīng)力比的增加而增加,，但應(yīng)力幅度a減小,。
03.抗疲勞過(guò)載能力
金屬機(jī)件偶然經(jīng)受短期過(guò)載，材料原來(lái)的疲勞極限可能沒(méi)有變化,，也可能有所降低,，這要具體視材料所受過(guò)載應(yīng)力及相應(yīng)的累計(jì)過(guò)載周次而定。
如果金屬在高于疲勞極限的應(yīng)力水平下運(yùn)轉(zhuǎn)一定周次后,，其疲勞極限和疲勞壽命減小,，這就造成了過(guò)載損傷。
金屬材料抵抗疲勞過(guò)載損傷的能力,，用過(guò)載損傷界或過(guò)載損傷區(qū)表示,。
過(guò)載損傷界由實(shí)驗(yàn)確定：測(cè)出不同過(guò)載應(yīng)力水平和相應(yīng)的開(kāi)始降低疲勞壽命的應(yīng)力循環(huán)周次，得到不同的試驗(yàn)點(diǎn),，連接各點(diǎn)便得到過(guò)載損傷界,。
過(guò)載損傷界與疲勞曲線高應(yīng)力區(qū)直線段(該線段各應(yīng)力水平下發(fā)生疲勞斷裂的應(yīng)力循環(huán)周次稱(chēng)為過(guò)載持久值)之間的影線區(qū)，稱(chēng)為過(guò)載損傷區(qū),。
機(jī)件過(guò)載運(yùn)轉(zhuǎn)到這個(gè)區(qū)域里,，都要不同程度地降低材料疲勞極限，在持久值附近,，降低的越多,。
材料的過(guò)載損傷界(或過(guò)載持久值)越陡直，損傷區(qū)越窄,，則其抵抗疲勞過(guò)載的能力越強(qiáng),。
04.疲勞缺口敏感度
機(jī)件由于使用的需要，常常帶有臺(tái)階,、拐角,、鍵槽、油孔,、螺紋等,，這些結(jié)構(gòu)類(lèi)似于缺口作用，會(huì)改變應(yīng)力狀態(tài)造成應(yīng)力集中,。
所以了解缺口引起的應(yīng)力集中對(duì)疲勞極限的影響也很重要,。
根據(jù)疲勞缺口敏感度評(píng)定材料時(shí)，可能出現(xiàn)兩種情況：
(a)Kf=Kt,，即缺口試樣疲勞過(guò)程中應(yīng)力分布與彈性狀態(tài)*一樣,，沒(méi)有發(fā)生應(yīng)力重新分布，這時(shí)缺口降低疲勞極限最嚴(yán)重,，疲勞缺口敏感度qf=1,，材料的缺口敏感性最大。
(b)Kf=1,，σ-1=σ-1N,，缺口不降低疲勞極限,，說(shuō)明疲勞過(guò)程中應(yīng)力產(chǎn)生了很大的重分布，應(yīng)力集中效應(yīng)*被消除,，qf=0,，材料的缺口敏感性最小。
所以qf值能反映在疲勞過(guò)程中材料發(fā)生應(yīng)力重新分布,，降低應(yīng)力集中的能力,。
高周疲勞時(shí)：大多數(shù)金屬都對(duì)缺口十分敏感；
低周疲勞時(shí)：大多數(shù)金屬都對(duì)缺口不太敏感,，這是因?yàn)楹笳呷笨诟繀^(qū)域已處于塑性區(qū)內(nèi),，發(fā)生應(yīng)力松弛，使應(yīng)力集中降低所致,。