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疲勞試驗,這些未必你都知道!
閱讀：880 發(fā)布時間：2021-5-25
疲勞試驗,這些未必你都知道!
導讀：
1860年,，維勒(Wöhler)在解決火車軸斷裂時，首先提出了疲勞曲線和疲勞極限的概念,，所以后人也稱該曲線為維勒曲線,。
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,。
當時,，英國首相丘吉爾下令，要不惜一切代價搞清事故原因,。
為此,，英國出動艦隊，將厄爾巴島附近海域失事的飛機殘骸從上百米深的海底打撈起來,，送到英國飛機研究院進行調查,。
調查發(fā)現，空難死者的肺部有因氣體膨脹而引起的裂痕,，說明失事前機艙內氣壓突然減小,，使肺內氣體急劇膨脹而導致肺部破裂。而對飛機殘骸的研究表明,，部分舷窗出現了裂痕,，這一發(fā)現與尸檢結論相吻合。
與此同時,，德哈維蘭公司對正在生產和已停飛的飛機進行嚴格檢查,，試驗進行了9000多個小時，飛機蒙皮出現了裂痕,，與失事飛機殘骸上的裂痕一樣,。
經過技術人員研究分析，事故是由制造飛機機體結構的金屬材料“疲勞”所致,。
機械零件在交變壓力作用下,，經過一段時間后，在局部高應力區(qū)形成微小裂紋,，再由微小裂紋逐漸擴展以致斷裂,。
疲勞破壞具有在時間上的突發(fā)性、位置上的局部性及對環(huán)境和缺陷的敏感性等特點,，不易被及時發(fā)現,。
“彗星”飛機方形舷窗處的蒙皮，在反復增壓和減壓的沖擊下,，產生變形,、裂紋，最終導致金屬疲勞斷裂,。作為一種噴氣式客機,，“彗星”比其他客機都飛得快，承受的壓力自然也大,，更容易產生金屬疲勞問題,。
由此，通過對“彗星”事故的調查,，誕生了一門新的學科---“疲勞力學”,。
今天咱們就來熟悉和了解一下關于：疲勞曲線及基本疲勞力學性能,。
01.疲勞曲線和對稱循環(huán)疲勞曲線
(一)疲勞曲線和疲勞極限
疲勞曲線：是疲勞應力與疲勞壽命的關系曲線，即S-N曲線,，是確定疲勞極限,、建立疲勞應力判據的基礎。
對于一般具有應變時效的金屬材料,，如碳鋼,、球鐵等，當循環(huán)應力水平降到某一臨界值時,，低應力段變?yōu)樗骄€段,，表明試樣可以經無限次應力循環(huán)也不發(fā)生疲勞斷裂，故將對應的應力稱為疲勞極限,，記為σ-1(對稱循環(huán),，r=-1)。
這類材料如果應力循環(huán)107周次不斷裂,，則可認定承受無限次應力循環(huán)也不會斷裂,，所以常將107周次作為測定疲勞極限的基數。
另一類金屬材料,，如鋁合金,、不銹鋼等，其S-N曲線沒有水平部分,，只是隨應力降低,，循環(huán)周次不斷增大，此時只能根據材料的使用要求規(guī)定某一循環(huán)周次下不發(fā)生斷裂的應力作為條件疲勞極限,，或稱有限壽命疲勞極限,。
(二)疲勞曲線的測定
通常疲勞曲線用旋轉彎曲疲勞試驗測定，其四點彎曲試驗機原理見下圖,。
S-N曲線的高應力(有限壽命)部分用成組試驗法測定,，即取3-4級較高應力水平，在每級應力水平下,，測定5根左右試樣的數據,，然后進行數據處理,，計算中值(存活率50%)的疲勞壽命,。
用升降法測得的σ-1作為S-N曲線的低應力水平點，與成組試驗法的測定結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)不同應力狀態(tài)下的疲勞極限
同一材料，不同應力狀態(tài)下的疲勞極限不同,，但它們之間存在一定聯系,。
實驗確定：對稱彎曲疲勞極限與對稱拉壓,、扭轉疲勞極限之間存在一定關系。
(四)疲勞極限與靜強度的關系
試驗表明,，金屬材料的抗拉強度越大,，其疲勞極限也越大。
對于中,、低強度鋼,，疲勞極限與抗拉強度間大體呈線性關系。
σb較低時,，可近似寫成σ-1=σb,。
σb較高時，這種近線性關系就會發(fā)生偏離,，這是由于強度較高時,，材料的塑性和斷裂韌性下降，裂紋易于形成和擴展所致,。
02.疲勞圖和不對稱循環(huán)疲勞極限
很多機件是在不對稱循環(huán)載荷下工作的,，因此還需要測定材料的不對稱循環(huán)疲勞極限，以滿足這類機件的設計和選材的需要,。
通常用工程作圖法,，由疲勞圖求得各種不對稱循環(huán)的疲勞極限。
根據不同的作圖方法有兩種疲勞圖：
(一)σa-σm疲勞圖
在不同應力比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
將不同應力比r下的疲勞極限,，分別以σmax(σmin)和σm表示于坐標系中,，就形成疲勞圖。
AHB就是在不同r下的疲勞極限σmax,。
疲勞極限隨平均應力或應力比的增加而增加,，但應力幅度a減小。
03.抗疲勞過載能力
金屬機件偶然經受短期過載,，材料原來的疲勞極限可能沒有變化,，也可能有所降低，這要具體視材料所受過載應力及相應的累計過載周次而定,。
如果金屬在高于疲勞極限的應力水平下運轉一定周次后,，其疲勞極限和疲勞壽命減小，這就造成了過載損傷,。
金屬材料抵抗疲勞過載損傷的能力,，用過載損傷界或過載損傷區(qū)表示。
過載損傷界由實驗確定：測出不同過載應力水平和相應的開始降低疲勞壽命的應力循環(huán)周次，得到不同的試驗點,，連接各點便得到過載損傷界,。
過載損傷界與疲勞曲線高應力區(qū)直線段(該線段各應力水平下發(fā)生疲勞斷裂的應力循環(huán)周次稱為過載持久值)之間的影線區(qū)，稱為過載損傷區(qū),。
機件過載運轉到這個區(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,。
材料的過載損傷界(或過載持久值)越陡直，損傷區(qū)越窄,，則其抵抗疲勞過載的能力越強,。
04.疲勞缺口敏感度
機件由于使用的需要，常常帶有臺階,、拐角,、鍵槽、油孔,、螺紋等,，這些結構類似于缺口作用，會改變應力狀態(tài)造成應力集中,。
所以了解缺口引起的應力集中對疲勞極限的影響也很重要,。
根據疲勞缺口敏感度評定材料時，可能出現兩種情況：
(a)Kf=Kt,，即缺口試樣疲勞過程中應力分布與彈性狀態(tài)*一樣,，沒有發(fā)生應力重新分布，這時缺口降低疲勞極限最嚴重,，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，說明疲勞過程中應力產生了很大的重分布,，應力集中效應*被消除,，qf=0，材料的缺口敏感性最小,。
所以qf值能反映在疲勞過程中材料發(fā)生應力重新分布,，降低應力集中的能力。
高周疲勞時：大多數金屬都對缺口十分敏感,；
低周疲勞時：大多數金屬都對缺口不太敏感,，這是因為后者缺口根部區(qū)域已處于塑性區(qū)內，發(fā)生應力松弛,，使應力集中降低所致,。