材料在变动载荷下的力学性能

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工程中很多机件和构件都是在变动载荷下工作，如曲轴、连杆、齿轮、弹簧、辊子、叶片及桥梁等，其失效形式主要是疲劳断裂。

疲劳是指机件和构件在服役过程中，由于承受变动载荷而导致裂纹萌生和扩展以致断裂失效的全过程。变动载荷是引起疲劳破坏的外力，是指载荷大小甚至方向均随时间变化的载荷，其在单位面积上的平均值为变动应力。变动应力分为循环应力和无规则随机变动应力。循环应力的波形有正弦波、矩形波和三角形波等。

疲劳的特点是，具有寿命的断裂，其断裂应力水平往往低于材料抗拉强度，甚至低于屈服强度；疲劳是脆性断裂（突发性）；对缺陷（缺口、裂纹及组织缺陷）十分敏感。

在载荷下进行试验，以提供材料或零部件的某种疲劳数据的试验称为疲劳试验。疲劳试验按失效循环次数可分为高周疲劳试验和低周疲劳试验，高周疲劳试验以应力为基本控制参数；低周疲劳试验以应变为基本控制参数。疲劳试验按载荷和环境可分为室温疲劳试验、高温疲劳试验、低温疲劳试验、热疲劳试验、腐蚀疲劳试验、接触疲劳试验和冲击疲劳试验。

     疲劳断口   

疲劳断裂经历了裂纹萌生和扩展过程。由于应力水平较低，因此具有较明显的裂纹萌生和稳态扩展阶段，疲劳断裂的宏观断口一般由三个区域组成，即疲劳裂纹产生区（裂纹源）、裂纹扩展区和最后断裂区。

疲劳裂纹扩展速率曲线

  · I区：裂纹初始扩展阶段，10-8~10-6mm/周次，快速提高，但△K 变化范围很小所以提高有限；


  · II区：裂纹扩展主要阶段，10-5~10-2mm/周次，da/dN~△K 呈幂函数关系，△K 变化范围很大，扩展寿命长。


  · Ⅲ区：裂纹扩展最后阶段，da/dN 很大，并随△K 增加而很快地增大，只需扩展很少周次即会导致材料失稳断裂。

疲劳源
该区最光亮（该断面经多次摩擦挤压）；裂纹源位于裂纹扩展区的贝纹弧线凹向一侧的焦点位置；可以有一个或者多个（与应力状态有关）；对于多个裂纹源，一般源区越亮、裂纹扩展区越大、贝纹线越密，则该裂纹源越早产生。

疲劳区
是裂纹亚稳扩展形成的区域。断口比较光滑并分布有贝纹线（或海滩花样），有时还有裂纹扩展台阶。贝纹线是载荷变动引起的，贝纹线是一簇以裂纹源为圆心的平行弧线，近源处则贝纹线距越密，远离源处则贝纹线距越疏。

瞬断区
是裂纹失稳扩展形成的区域。该断口区比疲劳区粗糙，与静载的断口相似（脆性材料断口呈结晶状，韧性材料断口在心部平面应变区呈放射状或人字纹状，边缘平面应力区则有剪切唇区存在），位置一般处于裂纹源的对侧。区域大小与材料承受名义应力及材料性质有关，高名义应力或低韧性材料，最后断裂区大，反之，最后断裂区小。

疲劳曲线与疲劳极限

  · 疲劳曲线：是疲劳应力与疲劳寿命的关系曲线，即S-N曲线，用于确定疲劳极限、建立疲劳应力判据的基础。

典型的几种材料的疲劳曲线

  · 疲劳极限：指材料抵抗无限次应力循环而不断裂的强度指标；条件疲劳极限指材料抵抗有限次应力循环而不断裂的强度指标。二者统称为疲劳强度。

对称循环载荷是一种常规载荷，有对称弯曲、对称扭转及对称拉压等。其对应的疲劳极限称为σ-1、τ-1、σ-1p。其中，σ-1 是最常用的对称循环疲劳极限。抗拉强度越大，疲劳极限越大。

钢的疲劳极限σ-1与抗拉强度σb 的关系

  疲劳试验方法  

金属材料疲劳极限试验，是通过模拟结构或部件的实际工作情况，在试验室内测定材料的疲劳曲线，用以估计结构或部件的疲劳特性。

一般该类试验周期较长，所需设备比较复杂，但是由于一般的力学试验如静力拉伸、硬度和冲击试验，都不能够提供材料在反复交变载荷作用下的性能，因此对于重要的零构件进行疲劳试验是必须的。

常用试验方法及其特点

单点疲劳试验法
单点疲劳试验法适用于金属材料构件在室温、高温或腐蚀空气中旋转弯曲载荷条件下服役的情况。

  · 试验设备：弯曲疲劳试验机、抗压试验机。

  · 试样要求：试样数量为8~10根；试样尺寸要求最小截面直径d一般取6，7.8，9mm，偏差小于0.005d。

(a) 圆柱形试样；(b) 圆锥形试样；(c)漏斗形试样

试样形状示意图

升降法疲劳试验
升降法疲劳试验主要用于测定中、长寿命区材料或结构疲劳强度的随机特性。在常规疲劳试验方法测定疲劳强度的基础上，或在指定寿命的材料、结构的疲劳强度无法通过试验直接测定的情况下，一般采用升降法疲劳试验间接测定疲劳强度。

· 试验设备：抗压疲劳试验机。

(a) 圆形截面试样；(b) 矩形截面试样

试样形状示意图（试样数量：约16根）

升降法示意图

  · 试验方法：1) 试验从高于疲劳强度的应力水平开始，然后逐级降低（如疲劳强度未知，可选用材料的静态拉伸屈服强度Rp0.2 或ReL）；2) 在应力水平下进行第一根试验，如果在指定寿命N=107次之前发生破坏，则下一根试样就要在低一级的应力水平下进行，反之，则要在高一级的应力水平下进行，直至完成全部试样；3) 各级应力水平之差叫做“应力增量”，在整个试验过程中，应力增量应保持不变。

  · 数据处理：将出现第一对相反结果以前的数据舍弃；以Vi表示在第i 级应以水平σi 下进行的试验次数，n 表示有效试验总次数，m 表示升降应力水平的级数。

高频振动疲劳试验法
高频振动试验利用试验器材产生含有循环载荷频率为1000Hz左右特性的交变惯性力作用于疲劳试样上，可以满足在高频、低幅、高循环环境条件下服役金属材料的疲劳性能研究。高频振动试验主要用于军民机械工程的需要。

高频振动试验装置示意图

  · 试样要求：试样形状同单点疲劳试样相同；试样材料一般选用高强度钢。

  · 数据处理：将获得的试验数据以试验应力σ 为纵坐标，以疲劳寿命的对数lgN 为横坐标，由如下公式按照最小二乘法拟合直线的原理，使各数据点到直线的水平距离的平方和为最小：lgN=a+b(σ-σ0)。

超声波疲劳试验
超声法疲劳试验是一种加速共振式的疲劳试验方法，其测试频率 (20kHz) 远远超过常规疲劳测试频率 (小于200Hz)。超声法疲劳试验一般用于超高周疲劳试验，主要针对109以上周次疲劳试验。

  · 试验装置主要包括：1) 超声频率发生器（将超声正弦波电信号由50Hz转变为20kHz）；2) 压力陶瓷换能器（将电源提供的电信号转化成机械振动信号）；3)  位移放大器（放大位移振幅使试样获得所需的应变振幅）。

  · 试验装置原理：由压电陶瓷换能器、位移放大器和试样组成的超声疲劳试验机构成了一个力学振动系统，试样的加载是由外加信号激励试样发生谐振，在试样中产生谐振波来实现。

超声法疲劳试验装置示意图

试样分为拉压试样和三点弯曲试样。

(a) 拉压试样；(b) 三点弯曲试样

试样示意图

  · 数据处理：试验数据用Basquin方程描述：σa=σf ’(2Nf)bλ。其中σa表示应力幅，σf表示应表示疲劳强度系数，Nf表示试验所得疲劳寿命，以 Nf为横坐标，以σa为纵坐标绘制超声疲劳S-N曲线。

相关标准

来源：水利工程质量周刊微信公众号（ID：SLGCZLZK），文章整理自材易通。