機械設備在線油液監(jiān)測系統(tǒng)談疲勞試驗測試

 

材料在變動載荷下的力學性能

 

4.1 概述

 

工程中很多機件和構(gòu)件都是在變動載荷下工作，如曲軸、連桿、齒輪、彈簧、輥子、葉片及橋梁等，其失效形式主要是疲勞斷裂。

 

 

 

疲勞是指機件和構(gòu)件在服役過程中，由于承受變動載荷而導致裂紋萌生和擴展以致斷裂失效的全過程。變動載荷是引起疲勞破壞的外力，是指載荷大小甚至方向均隨時間變化的載荷，其在單位面積上的平均值為變動應力。變動應力分為循環(huán)應力和無規(guī)則隨機變動應力。循環(huán)應力的波形有正弦波、矩形波和三角形波等。

 

疲勞的特點：疲勞是具有壽命的斷裂，其斷裂應力水平往往低于材料抗拉強度，甚至低于屈服強度；疲勞是脆性斷裂（突發(fā)性）；對缺陷（缺口、裂紋及組織缺陷）十分敏感。

 

 

 

在載荷下進行試驗以提供材料或零部件的某種疲勞數(shù)據(jù)的試驗稱為疲勞試驗。疲勞試驗按失效循環(huán)次數(shù)可分為高周疲勞試驗和低周疲勞試驗。高周疲勞試驗以應力為基本控制參數(shù)，低周疲勞試驗以應變?yōu)榛究刂茀?shù)。疲勞試驗按載荷和環(huán)境可分為室溫疲勞試驗、高溫疲勞試驗、低溫疲勞試驗、熱疲勞試驗、腐蝕疲勞試驗、接觸疲勞試驗和沖擊疲勞試驗。

 

 

 

4.2 疲勞斷口

 

疲勞斷裂經(jīng)歷了裂紋萌生和擴展過程。由于應力水平較低，因此具有較明顯的裂紋萌生和穩(wěn)態(tài)擴展階段，疲勞斷裂的宏觀斷口一般由三個區(qū)域組成，即疲勞裂紋產(chǎn)生區(qū)（裂紋源）、裂紋擴展區(qū)和最后斷裂區(qū)。

 

疲勞裂紋擴展速率曲線

 

 

 

I區(qū)：裂紋初始擴展階段，10-8~10-6mm/周次，快速提高，但△K變化范圍很小所以提高有限；

 

II區(qū)：裂紋擴展主要階段，10-5~10-2mm/周次，da/dN~△K呈冪函數(shù)關系，△K變化范圍很大，擴展壽命長。

 

Ⅲ區(qū)：裂紋擴展最后階段，da/dN很大，并隨△K增加而很快地增大，只需擴展很少周次即會導致材料失穩(wěn)斷裂。

 

 

疲勞源

 

該區(qū)最光亮（該斷面經(jīng)多次摩擦擠壓）；裂紋源位于裂紋擴展區(qū)的貝紋弧線凹向一側(cè)的焦點位置；可以有一個或者多個（與應力狀態(tài)有關）；對于多個裂紋源，一般源區(qū)越亮、裂紋擴展區(qū)越大、貝紋線越密，則該裂紋源越早產(chǎn)生。

 

 

 

疲勞區(qū)

 

是裂紋亞穩(wěn)擴展形成的區(qū)域；斷口比較光滑并分布有貝紋線（或海灘花樣），有時還有裂紋擴展臺階；貝紋線是載荷變動引起的，貝紋線是一簇以裂紋源為圓心的平行弧線，近源處則貝紋線距越密，遠離源處則貝紋線距越疏。

 

 

 

瞬斷區(qū)

 

是裂紋失穩(wěn)擴展形成的區(qū)域；該斷口區(qū)比疲勞區(qū)粗糙，與靜載的斷口相似（脆性材料斷口呈結(jié)晶狀，韌性材料斷口在心部平面應變區(qū)呈放射狀或人字紋狀，邊緣平面應力區(qū)則有剪切唇區(qū)存在）；位置一般處于裂紋源的對側(cè)；區(qū)域大小與材料承受名義應力及材料性質(zhì)有關，高名義應力或低韌性材料，最后斷裂區(qū)大，反之，最后斷裂區(qū)小。

 

 

 

4.3 疲勞曲線與疲勞極限

 

疲勞曲線是疲勞應力與疲勞壽命的關系曲線，即S-N曲線，用于確定疲勞極限、建立疲勞應力判據(jù)的基礎。

 

典型的金屬材料疲勞曲線

 

 

 

疲勞極限指材料抵抗無限次應力循環(huán)而不斷裂的強度指標。條件疲勞極限指材料抵抗有限次應力循環(huán)而不斷裂的強度指標。二者統(tǒng)稱為疲勞強度。

 

 

 

對稱循環(huán)載荷是一種常規(guī)載荷，有對稱彎曲、對稱扭轉(zhuǎn)及對稱拉壓等。其對應的疲勞極限稱為σ－1、τ－1、σ－1p。其中σ－1是最常用的對稱循環(huán)疲勞極限。

 

抗拉強度越大，疲勞極限越大

 

 

 

鋼的疲勞極限σ－1與抗拉強度σb的關系

 

 

 

4.4 疲勞試驗方法

 

金屬材料疲勞極限試驗，是通過模擬結(jié)構(gòu)或部件的實際工作情況，在試驗室內(nèi)測定材料的疲勞曲線，用以估計結(jié)構(gòu)或部件的疲勞特性。

 

一般該類試驗周期較長，所需設備比較復雜，但是由于一般的力學試驗如靜力拉伸、硬度和沖擊試驗，都不能夠提供材料在反復交變載荷作用下的性能，因此對于重要的零構(gòu)件進行疲勞試驗是必須的。

 

常用試驗方法及其特點

 

 

 

單點疲勞試驗法

 

單點疲勞試驗法適用于金屬材料構(gòu)件在室溫、高溫或腐蝕空氣中旋轉(zhuǎn)彎曲載荷條件下服役的情況。

 

試驗設備：彎曲疲勞試驗機、抗壓試驗機。

 

試樣要求：（1）試樣數(shù)量為8~10根；試樣尺寸要求最小截面直徑d一般取6，7.8，9mm，偏差小于0.005d。

 

試樣形狀示意圖

 

 

 

試驗步驟：（1）安裝試樣；（2施加載荷P（一般是根據(jù)材料的抗拉強計算出應該施加的載荷大小P），第1根試樣的最大應力約為σ1=（0.6~0.7）σb；(3)試樣斷裂后記下壽命N1，取下試樣描繪疲勞斷口的特征；(4)取另一試樣使其最大應力σ2=（0.40~0.45）σb，重復步驟①到③測得疲勞壽命N2，若N2＜107次，則應降低應力再重復步驟①到③，直至N2＞107次；(5)在σ1與σ2之間插入4個等差應力水平，分別為σ3，σ4，σ5，σ6，逐級遞減進行以上試驗，相應的壽命分別為N3，N4，N5，N6。

 

數(shù)據(jù)處理：當N6＜107次，疲勞極限在σ2與σ6之間，這時取σ7=1/2（σ2+σ6）再進行試驗；當N6＞107次，取σ7=1/2（σ5+σ6）再進行試驗。

 

 

 

升降法疲勞試驗

 

升降法疲勞試驗主要用于測定中、長壽命區(qū)材料或結(jié)構(gòu)疲勞強度的隨機特性。在常規(guī)疲勞試驗方法測定疲勞強度的基礎上或在指定壽命的材料或結(jié)構(gòu)的疲勞強度無法通過試驗直接測定的情況下，一般采用升降法疲勞試驗間接測定疲勞強度。

 

試驗設備：抗壓疲勞試驗機。

 

試樣形狀示意圖

 

（試樣數(shù)量：約16根）

 

 

 

升降法示意圖

 

 

 

試驗方法：（1）試驗從高于疲勞強度的應力水平開始，然后逐級降低（如疲勞強度未知，可選用材料的靜態(tài)拉伸屈服強度Rp0.2或ReL）；（2）在應力水平下進行第一根試驗，如果在指定壽命N=107次之前發(fā)生破壞，則下一根試樣就要在低一級的應力水平下進行，反之，則要在高一級的應力水平下進行，直至完成全部試樣；（3）各級應力水平之差叫做“應力增量”，在整個試驗過程中，應力增量應保持不變。

 

試樣步驟：（1）安裝試樣；（2）參數(shù)設置，在電腦界面設置試驗參數(shù)，如動載荷、頻率、循環(huán)次數(shù)、試樣工作部分的直徑和橫截面積等；（3）施加載荷，所施加的動載荷一般為對稱循環(huán)應力，波形為正弦波；（4）終止試驗，試樣在規(guī)定循環(huán)應力下，通常一直連續(xù)試驗至試樣失效或規(guī)定循環(huán)次數(shù)。

 

數(shù)據(jù)處理：將出現(xiàn)第一對相反結(jié)果以前的數(shù)據(jù)舍棄；以Vi表示在第i級應以水平σi下進行的試驗次數(shù)，n表示有效試驗總次數(shù)，m表示升降應力水平的級數(shù)。