6.8-疲劳试验

1、1第八节 疲劳试验2n疲劳n失效 n断裂 n事故事故发展过程事故发展过程 3科研与生产应用科研与生产应用n鞋跟冲击疲劳试验机鞋跟冲击疲劳试验机 (连续冲击连续冲击) HK-5305A4塑料疲劳的根本原因塑料疲劳的根本原因 n塑料具有塑料具有粘弹性粘弹性q在交变的应力作用下，分子链形变总是滞后于应力，在交变的应力作用下，分子链形变总是滞后于应力，产生内摩擦生成大量热，导热不良又使热量积累导产生内摩擦生成大量热，导热不良又使热量积累导致材料升温，引起材料局部软化、熔融等，试样的致材料升温，引起材料局部软化、熔融等，试样的内部缺陷、内部缩孔、表面划伤、缺口、粗糙等都内部缺陷、内部缩孔、表面划伤、缺口

2、、粗糙等都易导致疲劳破坏易导致疲劳破坏n疲劳破坏的根本原因有待进一步研究疲劳破坏的根本原因有待进一步研究5n疲劳引发不幸事故疲劳引发不幸事故疲劳所引起的强度下降疲劳所引起的强度下降 q19981998年年6 6月月3 3目，德国一列高速列车在行驶中突然出目，德国一列高速列车在行驶中突然出轨造成轨造成100100多人遇难身亡的严重后果。事后经过调多人遇难身亡的严重后果。事后经过调查人们发现：造成事故的原因竟然是因为一节车厢查人们发现：造成事故的原因竟然是因为一节车厢的车轮内部疲劳断裂而引起的车轮内部疲劳断裂而引起 n疲劳引起疲劳引起8090%的设备损坏的设备损坏q我国神舟飞船使用的是运载火箭，使

3、用的原器件都我国神舟飞船使用的是运载火箭，使用的原器件都是新的，因此不会有因为是新的，因此不会有因为“老化老化”、“疲劳疲劳”引发引发的问题的问题 n高分子新材料，收集的疲劳过程数据还很少高分子新材料，收集的疲劳过程数据还很少6定义n疲劳疲劳 q材料在交变的周期性应力或频繁的重复应力作用下，导材料在交变的周期性应力或频繁的重复应力作用下，导致材料的力学性能减弱或破坏的过程称为疲劳。致材料的力学性能减弱或破坏的过程称为疲劳。n应力应力q物体内某点的平面上所受力的大小物体内某点的平面上所受力的大小q最大应力最大应力Smax ，最小应力，最小应力Smin n应变应变q由于应力的作用而产生的材料的尺寸

4、变化与原始尺寸之由于应力的作用而产生的材料的尺寸变化与原始尺寸之比比q最大应变最大应变max ，最小应变，最小应变min 7n疲劳强度疲劳强度SNq在在N次循环时材料疲劳破坏的应力值。次循环时材料疲劳破坏的应力值。n疲劳应变疲劳应变N q在在N次循环时材料疲劳破坏的应变值。次循环时材料疲劳破坏的应变值。n疲劳破坏疲劳破坏 q材料的刚度下降到规定的值时称为疲劳破坏。材料的刚度下降到规定的值时称为疲劳破坏。n疲劳极限疲劳极限Sf或或f q指试样在疲劳试验中经过无数次（一般规定指试样在疲劳试验中经过无数次（一般规定N为为107次）次）循环而不破坏的最大应力值或应变值。循环而不破坏的最大应力值或应变值

5、。n疲劳寿命疲劳寿命 q在规定循环应力或应变下，试样疲劳破坏所经受的应力在规定循环应力或应变下，试样疲劳破坏所经受的应力或应变循环次数。或应变循环次数。8疲劳试验分类疲劳试验分类q根据施加负荷的方式根据施加负荷的方式n拉压、弯曲、扭转、冲击、组合应力等试验方法拉压、弯曲、扭转、冲击、组合应力等试验方法 q根据施加的应力大小和产生的应变大小根据施加的应力大小和产生的应变大小n分为应力振幅一定和应变振幅一定以及变动的应分为应力振幅一定和应变振幅一定以及变动的应力和应变的试验方法力和应变的试验方法9疲劳试验参照标准n塑料的疲劳试验塑料的疲劳试验 q参照参照ASTM（美国材料试验协会）（美国材料试验协

6、会）ASTM D671-71恒定恒定力振幅法测定塑料弯曲疲劳的标准。力振幅法测定塑料弯曲疲劳的标准。n橡胶的疲劳试验橡胶的疲劳试验 q参照国家标准参照国家标准GB1688-86介绍硫化橡胶伸张疲劳试验。介绍硫化橡胶伸张疲劳试验。 10（1）塑料的疲劳试验）塑料的疲劳试验测试原理测试原理n试验设备试验设备q机架机架q固定夹具固定夹具q弹簧板弹簧板q千分表千分表q弹簧弹簧q皮带轮轴皮带轮轴q偏心锤等组成偏心锤等组成q此外，还有计数器，切此外，还有计数器，切止开关，温度计，止开关，温度计， 11n测试原理测试原理q把试样的一端用固定侧夹把试样的一端用固定侧夹具将其夹紧，将另一端固具将其夹紧，将另一端

7、固定在载荷侧夹具上，通过定在载荷侧夹具上，通过它使试样弯曲它使试样弯曲q马达带动皮带轮轴与可变马达带动皮带轮轴与可变的旋转偏心重锤联结，由的旋转偏心重锤联结，由这个偏心重锤系统产生出这个偏心重锤系统产生出的循环的振幅恒定的应力，的循环的振幅恒定的应力，通过载荷侧夹具，施加在通过载荷侧夹具，施加在试样上试样上q施加力的大小，可由测定施加力的大小，可由测定弹簧形变的千分表来测定。弹簧形变的千分表来测定。 12试样试样 n模塑成型和机械加工模塑成型和机械加工而成。而成。n使加工中发热量最小，使加工中发热量最小，表面光洁。表面光洁。n在打磨时，必须沿着在打磨时，必须沿着试样的纵向方向，以试样的纵向方向

8、，以磨去细小的刻痕或划磨去细小的刻痕或划痕。痕。13试验步骤 n试验机的调整。试验机的调整。n按试验要求，对试样施加一静载荷，调整偏心重锤的偏心按试验要求，对试样施加一静载荷，调整偏心重锤的偏心度，施加最大动载荷。计数器调零，开动试验机度，施加最大动载荷。计数器调零，开动试验机n 动载荷动载荷 循环次数循环次数104 105 106 107 n在试验过程中测定试样表面达到在试验过程中测定试样表面达到稳定的温度稳定的温度。n试样破坏，试验机停止，从读数器上读取循环次数试样破坏，试验机停止，从读数器上读取循环次数N。n画出画出SN图，以每一载荷下几次试验结果的几何平均值图，以每一载荷下几次试验结果

9、的几何平均值N的对数作横坐标，以循环的最大应力振幅值作纵坐标画出的对数作横坐标，以循环的最大应力振幅值作纵坐标画出SN图。图。1415计算计算 n在悬臂梁弯曲式的疲劳试验中，偏心重锤振动在悬臂梁弯曲式的疲劳试验中，偏心重锤振动产生的力可表示为产生的力可表示为nKt为试样的弹性常数，表示了试样的刚性为试样的弹性常数，表示了试样的刚性N/mmnx0为试样的挠度，为试样的挠度，mm。00 xKPt偏心重锤振动系统产生的力偏心重锤振动系统产生的力16根据所需的应力，对试样施加负荷大小的计根据所需的应力，对试样施加负荷大小的计算如下：算如下：nb0为三角形试样的底边长度，为三角形试样的底边长度，A型为型

10、为20.6mm，B型为型为19.1mmnS为为所需要的循环应力，所需要的循环应力，N/mm；nd试样的厚度，试样的厚度，mm。nL0为试样的跨度，为试样的跨度， A型为型为31.8mm B型为型为57.2mmn将将A型、型、B型试样的尺寸代入，上式可简化为型试样的尺寸代入，上式可简化为施加于试样上的负荷施加于试样上的负荷0206LdSbP 2ASd108. 0P 2BSd0557. 0P 17（2）橡胶的疲劳试验）橡胶的疲劳试验n橡胶的疲劳橡胶的疲劳q橡胶承受交变循环应力或应变时所引起的局部结构变化橡胶承受交变循环应力或应变时所引起的局部结构变化和内部缺陷的过程。和内部缺陷的过程。n橡胶的疲劳

11、使橡胶材料的力学性能下降，并最终导致龟裂橡胶的疲劳使橡胶材料的力学性能下降，并最终导致龟裂或完全断裂。或完全断裂。n橡胶的疲劳断裂往往决定着这些制品的使用寿命。橡胶的疲劳断裂往往决定着这些制品的使用寿命。橡胶的橡胶的疲劳实质是受力和热的作用时橡胶产生老化的现象疲劳实质是受力和热的作用时橡胶产生老化的现象。n疲劳的试验方法有疲劳的试验方法有q压缩屈挠试验、屈挠疲劳试验、伸张疲劳试验和回转屈压缩屈挠试验、屈挠疲劳试验、伸张疲劳试验和回转屈挠疲劳试验。挠疲劳试验。 18硫化橡胶伸张疲劳试验硫化橡胶伸张疲劳试验 n国家标准国家标准GB1688-86n定应变下的疲劳伸张试验定应变下的疲劳伸张试验q将哑铃

12、状试样在试验机上反复伸张变形直到试样断裂。将哑铃状试样在试验机上反复伸张变形直到试样断裂。n反复拉伸变形下，试样产生裂口以至裂口扩展而断裂的现反复拉伸变形下，试样产生裂口以至裂口扩展而断裂的现象称为伸张疲劳象称为伸张疲劳q在规定的拉伸应变值下，反复变形到一定次数后，其拉在规定的拉伸应变值下，反复变形到一定次数后，其拉伸性能测定值与疲劳前拉伸性能测定值之比表示为伸性能测定值与疲劳前拉伸性能测定值之比表示为伸张伸张疲劳系数疲劳系数q把在一定的静态和周期性动态负荷作用下，材料产生破把在一定的静态和周期性动态负荷作用下，材料产生破坏或断裂所需的时间，常用坏或断裂所需的时间，常用转动次数表示疲劳寿命转动

13、次数表示疲劳寿命。19试样n哑铃状试样的制备与裁刀同橡胶拉伸性能的测试哑铃状试样的制备与裁刀同橡胶拉伸性能的测试 20试验条件试验条件n试验应变值的选择与使用性能有关，应变值可取伸长试验应变值的选择与使用性能有关，应变值可取伸长50-125 %。也可采用较低或较高的应变值，一般选用。也可采用较低或较高的应变值，一般选用100 %；n试验频率一般选用试验频率一般选用250，300，500r/min。也可根据需要选。也可根据需要选用其他频率。进行比较时，频率值必须相同用其他频率。进行比较时，频率值必须相同n应变次数做伸张疲劳系数时，可根据情况自行选择。例如应变次数做伸张疲劳系数时，可根据情况自行选

14、择。例如5, 10, 15万次。万次。n试验温度试验温度q一般情况下，试验应在标准试脸室温度下进行。一般情况下，试验应在标准试脸室温度下进行。21试验步骤试验步骤n把准备好的试样夹入试验机的上、下夹持器中，试样两端把准备好的试样夹入试验机的上、下夹持器中，试样两端在夹持器中的长度各为在夹持器中的长度各为30mm n试样不得夹得过紧，以免试样在夹持部位出现早期损坏试样不得夹得过紧，以免试样在夹持部位出现早期损坏n调整试验机的偏心机构和上夹持器，使两夹持器的最小间调整试验机的偏心机构和上夹持器，使两夹持器的最小间距为距为25mm，并使夹持器的最大间距达到工作标距要求的，并使夹持器的最大间距达到工作

15、标距要求的间距间距n尽量减少对试样的拉伸时间，施加应变后到调整完毕不能尽量减少对试样的拉伸时间，施加应变后到调整完毕不能超过超过1min22n转动试验机的往复件，使其到夹持器的最小距离位置，再转动试验机的往复件，使其到夹持器的最小距离位置，再次检查标距间距离，使试样处于无应变状态次检查标距间距离，使试样处于无应变状态n试验机进行的是往复运动，其频率一般为试验机进行的是往复运动，其频率一般为250，300，500r/min；试验应变值的选择与使用性能有关，应变值可；试验应变值的选择与使用性能有关，应变值可取伸长取伸长50150%，也可采用较低或较高的应变值，一般取，也可采用较低或较高的应变值，一

16、般取100%；试验的应变次数，可根据情况自行选择，如；试验的应变次数，可根据情况自行选择，如5，10，15万次万次n调整完毕，开动试验机，记录每个试样的断裂次数。调整完毕，开动试验机，记录每个试样的断裂次数。23结果表示结果表示n疲劳寿命用试样断裂次数的中值表示，并标明最高与最低疲劳寿命用试样断裂次数的中值表示，并标明最高与最低值。值。n伸张疲劳系数为：伸张疲劳系数为：q式中式中Kp为伸张疲劳系数；为伸张疲劳系数；qZ2为伸张疲劳后性能测定值；为伸张疲劳后性能测定值；qZ1为伸张疲劳前性能测定值。为伸张疲劳前性能测定值。 12ZZKp24影响因素影响因素 n影响橡胶制品疲劳性能的因素可分为三类影响橡胶制品疲劳性能的因素可分为三类q原材料和配方包括橡胶的种类、交联程度和类别