几种常用的金属材料疲劳极限试验方法

几种常用的金属材料疲劳极限试验方法何雪浤;谢伟涛【摘要】金属疲劳试验用于测定金属材料的许用疲劳应力,绘制材料的疲劳曲线,进而在交变应力下测定金属材料的疲劳极限.疲劳研究的试验方法有很多,该文根据有关国家标准和现有文献资料对一些常用疲劳试验方法进行了综述,包括单点疲劳试验法、升降法疲劳试验、高频振动疲劳试验法、超声波法疲劳试验、红外热像技术疲劳试验方法,并对每种疲劳试验方法的试验目的、适用条件、试验试样、所需仪器、具体步骤和数据处理进行了介绍.期刊名称】《理化检验-物理分册》年(卷),期】2015(051)006【总页数】6页(P388-393)【关键词】疲劳试验;试验方法;疲劳曲线;疲劳极限;疲劳寿命【作者】何雪浤;谢伟涛【作者单位】东北大学机械工程与自动化学院,沈阳110004;东北大学机械工程与自动化学院,沈阳110004【正文语种】中文【中图分类】TG115.5金属材料疲劳试验是通过模拟结构或部件的实际工作状况，在试验室内测定材料的疲劳曲线，为设计、选材及选择工艺提供依据的方法，用以估计结构或部件的疲劳特性和设法提高疲劳抗力，延迟或避免疲劳破坏。疲劳试验可以预测材料或构件在交变载荷作用下的疲劳强度，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［1］，因此对于重要的零构件进行疲劳试验是必须的。金属材料疲劳试验的一些常用试验方法通常包括单点疲劳试验法［2］、升降法［3］、高频振动试验法［4］、超声疲劳试验法［5］、红外热像技术疲劳试验方法［6］等。其中单点疲劳试验法操作简单方便、所用时间较短，但测得的结果不是很精准；升降法在常规疲劳试验中是比较精准而又常用的一种方法；高频振动疲劳试验弥补了常规疲劳试验缺少高频率的不足，满足一些在高频率环境下服役材料的疲劳性能研究；超声疲劳试验提供了高效率的加速疲劳试验方案，容易得到高周疲劳试验数据；红外热像疲劳试验是一种能量方法的疲劳研究，试验所用试样少、快速而又精准。笔者对以上几种疲劳试验方法进行了综述，详细介绍了每种疲劳试验方法的适用条件、试样类型、试验步骤及数据处理等，以供人们在以后的工程应用中借鉴使用。1金属材料疲劳试验方法单点疲劳试验法试验方法及试样类型单点疲劳试验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。该种方法在试样数量受限制的情况下，可近似测定疲劳曲线并粗略估计疲劳极限。试验所需的疲劳试验机一般为弯曲疲劳试验机和拉压试验机，试验机应满足弯曲载荷误差不大于±1%，为避免试样振动，试验选择的频率应适用于材料、试样和试验机的组合。不同类型的试样得到的试验结果不同，因此同一批试验所使用的试样应具有相同的直径、形状和尺寸公差。根据GB/T4337-2008《金属材料疲劳试验旋转弯曲方法》规定，单点疲劳试验的试样其试验部分分为圆柱形、圆锥形和漏斗型3类，如图1所示。图1单点疲劳试验试样类型Fig.1Specimentypesforsinglepointfatiguetest(a)Cylindricalspecimen(b)Conicspecimen(c)Funneledspecimen单点疲劳试验一般需要8~10根试样，试样的最小截面直径d—般取6,7.8,9.5mm，偏差小于0.005d。其中圆柱形试样要求试验部分的平行度应保证在0.05mm以内以及过渡圆弧半径不应小于3d，漏斗形试样圆弧半径不应小于5do试验步骤及数据处理在进行单点疲劳试验时需要先计算出应施加的载荷P，可由试样最小直径截面上的最大弯曲正应力根据下式计算得到：其中，取加载系数可得P=KooK值可根据试验机的套筒长度尺寸a和试样的最小直径dmin事先算出，并制成表格。在试样的应力。确定后，便可计算出应施加的载荷P。单点疲劳试验一般按如下步骤进行：①测量试样最小直径dmin和计算或查出加载系数K;②首先确定抗拉强度为ob的第1根试样的最大应力约为。1二(0.6~0.7)ob,并由式(1)计算应施加的载荷P；③安装试样；④施加载荷P；⑤试样断裂后记下寿命N1,取下试样描绘疲劳破坏断口的特征；⑥取另一试样使其最大应力o2=(0.40-0.45)ob,重复步骤③〜⑤测得疲劳寿命N2,若N2v107次，则应降低应力再重复步骤③〜⑤，直至在o2作用下，N2>107次；⑦在o1与o2之间插入4~5个等差应力水平，它们分别为o3,o4,o5,o6,逐级递减进行以上试验,相应的寿命分别为N3,N4,N5,N6。数据处理通常按以下方式进行：当与o6相应的N6<107次，疲劳极限在o2与o6之间，这时取o7二1/2(o2+o6)再进行试验；当与o6相应的N6>107次，取o7=1/2(o5+o6)再进行试验。疲劳极限确定按表1所示，其中o7-o2和o7-o6均应满足小于控制精度Aao表1疲劳极限的确定Tab.1Thedeterminationoffatiguelimits第6根试样寿命/次N6v107N6>107第7根试样寿命/次N7v107N7>107N7<107N7>107疲劳极限1/2(o7+o2)1/2(o7+o6)1/2(o7+o6)1/2(o7+。5)升降法疲劳试验试验方法及试样类型升降法疲劳试验是获得金属材料或结构疲劳极限的一种比较常用而又精确的方法，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或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。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。所需试验机一般为拉压疲劳试验机，需满足静载荷显示值误差不大于±1%，显示值变动度不大于±1%，平均载荷显示值波动度不大于使用载荷满量程的±1%，振幅显示值波动度不大于使用载荷满量程的±2%。夹具的中心线应尽量与试验机的施力轴线重合，以确保沿试样轴线无间隙地准确传递循环载荷。对于同一批试样，应在相同频率下进行试验，频率相差过大，可能对试验结果有影响。升降法疲劳试验示意图［7］如图2所示，其中指定寿命N二107次。升降法疲劳试验需要大约16根试样，根据GB/T3075-2008《金属材料疲劳试验轴向力控制方法》规定，试验试样一般分为圆形截面和矩形截面两种，如图3所示。试样要求平行度、同轴度和垂直度都小于或等于0.005d，平均表面粗糙度Ra<0.2pmo图2升降法疲劳试验示意图Fig.2Schematicdiagramofup-and-downfatiguetest图3升降法疲劳试验试样类型Fig.3Specimentypesforup-and-downfatiguetest（a）Specimenwithcircularsection（b）Specimenwithrectangularsection试验步骤及数据处理试验从高于疲劳强度的应力水平开始，然后逐级降低。当材料疲劳强度参考值未知时，可选用材料的静态拉伸屈服强度如Rp0.2或ReL作为疲劳强度名义值。在应力水平O0下进行第1根试样试验，该试样在达到指定寿命N二107次循环之前发生了破坏，于是第2根试样就在低一级的应力水平d下进行试验。如果前一根试样不到107次循环就破坏，则随后的一根试样就要在低一级的应力水平下进行；如果前一根试样经107次循环没有破坏，则随后的一根试样要在高一级的应力水平下进行，直到完成全部试样为止［8］。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。升降法疲劳试验一般按如下步骤进行：①安装试样，安装试样时需仔细操作，使试样与疲劳试验机上、下夹具保持同轴，尽量减少试样承受规定轴向应力以外的其他应力；②参数设置，在电脑界面上设置试验参数，如动载荷、频率、循环次数、试样工作部分的直径和横截面积等；③施加载荷，所施加的动载荷一般为对称循环应力，波形为正弦波；④终止试验，试样在规定循环应力下，通常一直连续试验至试样失效或规定循环次数。在处理试验结果时，将出现第一对相反结果以前的数据舍弃。以Vi表示在第i级应力水平oi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，则疲劳强度o的一般表达式可写为：试验最好在4级应力水平下进行。当完成了第6或第7根试样的试验后，就可以按照上式开始计算o值，并陆续计算出第8,9,10,...根试样试验后的疲劳强度值。当这些疲劳强度数值的变化越来越小，趋于稳定时，试验即可停止。将完成最后1根试样的试验所计算出的疲劳强度值作为欲求的疲劳强度。采用升降法测定疲劳强度的关键，在于应力增量Ao的选取。一般来说，应力增量最好选择在4级应力水平下进行。当已知由常规疲劳试验法测定的疲劳强度时，可取5%以内的疲劳强度作为应力增量Ao。高频振动疲劳试验法试验方法及试样类型常规疲劳试验中交变载荷的频率一般低于200Hz，无法精确测得一些零件在高频环境状态下的疲劳损伤。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。试验装置通常包括：控制仪、电荷适配器、功率放大器、加速度计、振动台等，如图4所示。高频振动疲劳试样依据常规疲劳试样和超声疲劳试样设计成如图1所示形状，其材料一般选用高强度钢。图4高频振动试验装置示意图[9]Fig.4Schematicdiagramofhighfrequencyvibrationtestdevice[9]试验步骤及数据处理高频振动疲劳试验一般按如下步骤进行：①按要求安装试样；②安装控制与测量的加速度传感器，并进行500~2000Hz的正弦扫频试验，根据扫频结果选取试验频率；③以选取的试验频率、控制加速度进行正弦高频振动环境疲劳试验，调整试验应力水平为o二ma/S,（m为配重质量，a为配重的加速度，S为试样横截面积）；④应用振动台的高频振动特性和集中质量所形成的交变载荷，通过计算机获得稳定的试验数据。将获得试验数据以试验应力o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：式中：。0为当N-8时的应力，可近似代表疲劳极限。根据这个条件，即可由微积分中求极值的方法，推知常数a和b分别为[10]:采用回归分析的方法进行曲线拟合，将同一种材料不同应力比或不同平均应力下的曲线画在同一图中，绘制o-N曲线，从而反映材料的疲劳强度与疲劳寿命关系，得到疲劳试验结果。超声法疲劳试验试验方法及试样类型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）。超声疲劳试验可以在不同载荷特征、不同环境和温度等条件下进行，为疲劳研究提供了一个很好的手段。超声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[11]。高周疲劳时，材料宏观上主要表现为弹性的，所以在损伤本构关系中采用应力、应变等参量的弹性关系处理，而不涉及微塑性[12]。所需仪器主要包括以下3部分：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。除以上3个关键的部件以外，超声疲劳试验系统还包括记录控制系统和测试系统，如图5所示。图5超声疲劳系统及其位移、应力-应变场[13]Fig.5Ultrasonicfatiguesystemanddisplacement，stress-strainfield[13]超声疲劳试样的设计必须满足试验系统谐振条件，所需试样一般有拉压试样和三点弯曲试样两种[14]，如图6所示。拉压试样的形状为漏斗型，试样中间为悬链线，两端为柱体。要求试样具有第一阶纵向共振模态。用解析法计算试样的谐振长度的微分方程为：式中：U为纵向自由振动位移；S为试样横截面积；k为材料常数；f为系统振动频率；P为试样密度；Ed为材料的动态弹性模量。解析法计算的试样的共振长度为：图6超声疲劳试样类型Fig.6Specimentypesforultrasonicfatiguetest（a）Tensionandcompressionspecimen（b）Threepointsbendingspecimen式中：a二arccosh（R2/R1）/L1；p二（a2-k2）1/2。由于超声疲劳试验测试材料104~1010周次的疲劳性能，在该范围内，材料服从胡克定律。振动时试样中间截面的应变和应力计算公式分别为：式中：A0为试样端部的纵向位移幅值；在试样材料及几何尺寸一定的条件下，申（L1,L2），P为定值。可见试样中间截面的应力和应变与A0成正比，超声疲劳试验是通过控制端部位移幅值A0实现的。三点弯曲试样形状为长条形，其横向振动微分方程为：式中：EI为弯曲刚度，1二bh3/12。解析法计算的试样共振长度为：根据梁的横力弯曲正应力及挠度关系，可得到三点弯曲试样中间截面的最大正应力与外加位移幅值A0的关系为，故当试样材料及几何尺寸确定后，便可由外加幅值AO确定最大正应力。试验步骤及数据处理超声法疲劳试验一般按如下步骤进行：①对所测试样进行测量校准；②安装试样，对称拉压试验中，试样的一端固定放大器末端，另一端自由，非对称拉压试验中，需两个放大器，试样两端分别加在两个放大器上；③对所加载荷和试验频率进行参数设置；④开始试验，启动开关将试验频率加速至超声频率后记录下试验数据。将所得数据用Basquin方程aa=aff(2Nf)b入来描述，其中oa表示应力幅，o'f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oa为纵坐标绘制超声疲劳S-N曲线。由于超声疲劳试验具有很高的频率，频率的影响使得这些材料的超声疲劳S-N曲线沿纵坐标轴向上移动，因此需要考虑超声频率影响因子入的影响，并对其结果进行修正，其中入为常规疲劳应力幅与超声疲劳应力幅的比值［13］。红外热像技术疲劳试验方法试验方法及试样类型为缩短试验时间、减少试验成本，能量方法成为疲劳试验研究的重要方法之一。金属材料的疲劳是一个耗散能量的过程，而温度变化则是研究疲劳过程能量耗散极为重要的参量［15］。红外热像技术是一种波长转换技术，即将目标的热辐射转换为可见光的技术，利用目标自身各部分热辐射的差异获取二维可视图像，用计算机图像处理技术和红外测温标定技术，实现对物体表面温度场分布的显示、分析和精确测量［16］。试验一般在高频疲劳试验机上进行，红外热像仪的精度满足100°C时误差不大于±0.1°C。试验所用材料通常为表面镀锌、经过正火处理的金属材料，为增大金属表面的比辐射率，试验时通常在试样表面涂上很薄的一层红外透射涂料。试样按疲劳试验机的正规板样要求及红外热像测试需要设计，符合GB/T3075-2008《金属材料疲劳试验轴向力控制方法》［17］规定，试样尺寸及形状如图3(a)所示。试验步骤及数据处理红外热像技术疲劳试验一般按如下步骤进行：①按要求安装试样；②参数设置；③施加略低于材料疲劳极限的载荷，通过红外热像仪实时观察试样表面温度变化，记录稳定的温升值；④逐渐增大工作载荷，记录不同载荷水平、不同时刻的热图像和稳定的温升值；⑤直到试样断裂停止试验。将所得试验数据以所加载的应力载荷为横坐标，以相对的温升值为纵坐标绘制出相应的应力幅值与试样温升值关系曲线，如图7所示。在工作载荷高于疲劳极限的情况下，非塑性效应和塑性效应共同主导着试样疲劳过程的热耗散，引起试样表面温度较大幅度升高；在工作载荷接近疲劳极限时，主导温度变化的机制复杂，引起试样表面温升的机制有所转变。因此在工作载荷远离疲劳极限时，引起试样表面温升的疲劳机制相对单一、明确。故一般取前3个数据和最后4个数据分别利用最小二乘法进行线性拟合，Luong[18]认为两条直线的交点所对应的横坐标数轴即为材料的疲劳极限。图7应力幅值与试样温升值关系曲线[16]Fig.7Therelationshipofstressamplitudeandtemperaturerise[16]2结束语由于疲劳机理和疲劳理论研究进展缓慢，疲劳问题主要靠疲劳试验解决，目前虽然有很多种疲劳试验方法，但这些试验方法均有一定的局限性和不足，例如一些常规试验方法比较费时费材料，试验方法相对麻烦，而一些新型疲劳试验方法相对发展不够完善，操作麻烦，所需试验设备比较昂贵且要求较高，故金属材料疲劳试验方法仍需继续改进和完善，可以使得试验操作简单，既不费时费材料，也不需要要求高精度昂贵的试验设备，对一些特殊环境下的材料可以探索出更好的疲劳试验方法，这将是今后探索发展的目标。参考文献：[1]杨晓东，雷宏刚•疲劳试验研究的动态分析[J].FriendofScienceAmateurs，2008(4)：109－112.HB5152-80金属室温旋转弯曲疲劳实验方法[S].曾春华，邹十践.疲劳分析方法及应用[M].北京：国防工业出版社，1991：88-91.[4]鲁连涛，张卫华•金属材料超高周疲劳研究综述[J].机械强度，2005,27(3)：388-394.[5]周承恩，谢季佳，洪友士•超高周疲劳研究现状及展望[J].机械强度，2004，26(5)：52