金属疲劳试验

疲劳试验  fatigue test

 

   利用金属试样或模拟机件在各种环境下，经受交变载荷循环作用而测定其疲劳性能判据，并研究其断裂过程的试验，即为金属疲劳试验。

   1829年德国人阿尔贝特(J.Albert)为解决矿山卷扬机服役过程中钢索经常发生突然断裂,首先以10次/分的频率进行疲劳试验18521869年德国人沃勒(A.Whler)为研究机车车辆开始以15次／分的频率对车辆部件进行拉伸疲劳试验,以后又用试样以72次/分的频率在旋转弯曲疲劳试验机进行旋转弯曲疲劳试验，他的功绩是指出一些金属存在疲劳极限，并将疲劳试验结果绘成应力与循环周次关系的-曲线（图1[金属的-曲线]金属的<img http://baike.sososteel.com/doc/view/src=-曲线" class=image>）,又称为Whler曲线。1849年英国人古德曼 (J.Goodman)首先考虑了平均应力不为零时非对称载荷下的疲劳问题并提出耐久图，为金属制件的寿命估算和安全可靠服役奠定理论基础。1946年德国人魏布尔 (W.Weibull)对大量疲劳试验数据进行统计分析研究，提出对数疲劳寿命一般符合正态分布（高斯分布），阐明疲劳测试技术中应采用数理统计。

   60年代初，从断裂力学观点分析金属疲劳问题，进一步扩大了疲劳研究内容。近年来，由于电液伺服闭环控制疲劳试验机的出现以及近代无损检验技术、现代化仪器仪表等新技术的采用，促进了金属疲劳测试技术的发展。今后应着重各种不同条件(特别是接近服役条件)下金属及其制件的疲劳测试技术的研究。

   试验种类和判据  金属疲劳试验种类很多，通常可分为高周疲劳、低周疲劳、热疲劳、冲击疲劳、腐蚀疲劳、接触疲劳、声致疲劳、真空疲劳、高温疲劳、常温疲劳、低温疲劳、旋转弯曲疲劳、平面弯曲疲劳、轴向加载疲劳、扭转疲劳、复合应力疲劳等。应根据金属制件的服役（工作）条件来选择适宜的疲劳试验方法，测试条件要尽量接近服役条件。进行金属疲劳试验的目的在于测定金属的疲劳强度（抗力），由于试验条件不同，表征金属疲劳强度的判据（指标）也不一样。

   高周疲劳  高周疲劳时，金属疲劳强度判据是疲劳极限 (或条件疲劳极限)即金属经受“无限”多次(或规定周次)应力循环而不断裂的最大应力,以表示，其中为应力比,即循环中最小与最大应力之比。在对称循环应力下＝－1，疲劳极限表示为。工程金属材料的疲劳极限与抗拉强度成正比,比值约为0.5，对疲劳试验时选取第一个循环应力具有参考价值。

   金属疲劳试验时，应力随时间一般呈正弦波形变化（图2[循环应力类型]循环应力类型）,但有时也采用三角形、矩形等应力波形。金属疲劳试验时最广泛采用的是旋转弯曲疲劳试验和轴向加载疲劳试验。循环应力类型见图2[ 循环应力类型] 循环应力类型。

   金属在疲劳极限下实际所通过的最大循环次数称为试验基数。钢铁及钛合金等,基数一般为10；对于有色金属、特殊钢及在高温、腐蚀等试验条件下，基数一般为10。一些金属存在疲劳极限，对应地在-曲线上出现水平部分。一些金属不存在疲劳极限,其-曲线无水平部分；随循环周次增加，金属所能承受的应力不断减小，因此将对应于规定周次的应力称为条件疲劳极限。

   金属疲劳极限一般根据10个以上相同试样的疲劳试验结果所绘制的-曲线求得,或用升降法求得。金属疲劳强度是一种对金属外在缺陷、内在缺陷、显微组织和环境条件非常敏感的性能，通过疲劳试验所测定的试验数据一般都很分散，即-曲线通常都是一个带,由此求出的疲劳极限乃是一组试样的统计平均值。

   不对称循环应力疲劳  在不对称循环应力下，一般采用在规定耐久期下表示极限循环应力与平均应力的耐久图（图3[金属的耐久图]金属的耐久图），表示疲劳试验结果。

   低周疲劳  对于高应力大应变下的低周疲劳（周次一般为10～10），通常是进行恒应变控制低周疲劳试验。应首先将试验结果绘成低周疲劳寿命曲线（图4[ 金属低周疲劳寿命曲线] 金属低周疲劳寿命曲线），然后从相关直线的截距和斜率求得下列表征金属低周疲劳性能的判据：疲劳强度系数、疲劳塑性系数、疲劳强度指数、疲劳塑性指数。 循环应变硬化指数、循环强度系数等判据可从循环应力-应变曲线求得。

   影响疲劳试验的因素  金属疲劳试验结果受很多因素影响,如试验条件（试样的尺寸、形状和表面状态,试验机类型，载荷特征，频率、温度及介质等）、冶金因素（晶粒度、显微组织、冶金缺陷等）、操作技术（试样安装情况、加载同心度等）。为了保证金属疲劳试验结果的可靠性和可比性，必须设法避免上述各种因素的影响，严格控制疲劳测试相关条件的一致性。此外，残余应力也是影响疲劳强度的一个重要因素，一般是残余压应力有利，残余拉应力有害。为了减小残余应力对疲劳试验结果的影响，除样坯应经适当热处理外，疲劳试样的机械切削加工应采用多段、分级、逐步减小加工量的方法，精加工时以横磨削、纵抛光为宜。

   疲劳断口  金属疲劳裂纹通常在表面层应力集中处(滑移带、夹杂、析出微粒、划痕、缺口、冶金缺陷等)萌生、而后扩展至断裂。金属疲劳断裂表面的外观形貌称之为疲劳断口。一般分为三区：即疲劳源（萌生疲劳裂纹的核心策源地）；疲劳裂纹扩展区（扩展过程中留下呈同心弧线的贝壳状形貌，光亮平滑，颗粒细有时呈瓷状）；终断区（剩余截面不足以支承峰值应力因过载荷而静断，呈暗灰色纤维状或晶粒状）。

   在电子显微镜或光学显微镜高倍放大下，在金属疲劳扩展区可显示出垂直裂纹扩展方向而大致平行的疲劳条痕，每根条痕标志每一循环终了疲劳裂纹的位置，因此条痕间距可作为局部疲劳裂纹扩展率的度量。