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疲勞試驗(yàn),這些未必你都知道!
閱讀：857 發(fā)布時間：2021-5-25
疲勞試驗(yàn),這些未必你都知道!
導(dǎo)讀：
1860年，維勒(Wöhler)在解決火車軸斷裂時，首先提出了疲勞曲線和疲勞極限的概念，所以后人也稱該曲線為維勒曲線。
1954年1月10日，BOAC的一架“彗星”在意大利厄爾巴島上空7800米處解體。
4月8日，BOAC的又一架“彗星”栽入意大利那不勒斯灣，機(jī)上21人罹難。至此，“彗星”全部停飛。
“彗星”頻繁隕落，震驚了世界。
當(dāng)時，英國首相丘吉爾下令，要不惜一切代價搞清事故原因。
為此，英國出動艦隊(duì)，將厄爾巴島附近海域失事的飛機(jī)殘骸從上百米深的海底打撈起來，送到英國飛機(jī)研究院進(jìn)行調(diào)查。
調(diào)查發(fā)現(xiàn)，空難死者的肺部有因氣體膨脹而引起的裂痕，說明失事前機(jī)艙內(nèi)氣壓突然減小，使肺內(nèi)氣體急劇膨脹而導(dǎo)致肺部破裂。而對飛機(jī)殘骸的研究表明，部分舷窗出現(xiàn)了裂痕，這一發(fā)現(xiàn)與尸檢結(jié)論相吻合。
與此同時，德哈維蘭公司對正在生產(chǎn)和已停飛的飛機(jī)進(jìn)行嚴(yán)格檢查，試驗(yàn)進(jìn)行了9000多個小時，飛機(jī)蒙皮出現(xiàn)了裂痕，與失事飛機(jī)殘骸上的裂痕一樣。
經(jīng)過技術(shù)人員研究分析，事故是由制造飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)的金屬材料“疲勞”所致。
機(jī)械零件在交變壓力作用下，經(jīng)過一段時間后，在局部高應(yīng)力區(qū)形成微小裂紋，再由微小裂紋逐漸擴(kuò)展以致斷裂。
疲勞破壞具有在時間上的突發(fā)性、位置上的局部性及對環(huán)境和缺陷的敏感性等特點(diǎn)，不易被及時發(fā)現(xiàn)。
“彗星”飛機(jī)方形舷窗處的蒙皮，在反復(fù)增壓和減壓的沖擊下，產(chǎn)生變形、裂紋，最終導(dǎo)致金屬疲勞斷裂。作為一種噴氣式客機(jī)，“彗星”比其他客機(jī)都飛得快，承受的壓力自然也大，更容易產(chǎn)生金屬疲勞問題。
由此，通過對“彗星”事故的調(diào)查，誕生了一門新的學(xué)科---“疲勞力學(xué)”。
今天咱們就來熟悉和了解一下關(guān)于：疲勞曲線及基本疲勞力學(xué)性能。
01.疲勞曲線和對稱循環(huán)疲勞曲線
(一)疲勞曲線和疲勞極限
疲勞曲線：是疲勞應(yīng)力與疲勞壽命的關(guān)系曲線，即S-N曲線，是確定疲勞極限、建立疲勞應(yīng)力判據(jù)的基礎(chǔ)。
對于一般具有應(yīng)變時效的金屬材料，如碳鋼、球鐵等，當(dāng)循環(huán)應(yīng)力水平降到某一臨界值時，低應(yīng)力段變?yōu)樗骄€段，表明試樣可以經(jīng)無限次應(yīng)力循環(huán)也不發(fā)生疲勞斷裂，故將對應(yīng)的應(yīng)力稱為疲勞極限，記為σ-1(對稱循環(huán)，r=-1)。
這類材料如果應(yīng)力循環(huán)107周次不斷裂，則可認(rèn)定承受無限次應(yīng)力循環(huán)也不會斷裂，所以常將107周次作為測定疲勞極限的基數(shù)。
另一類金屬材料，如鋁合金、不銹鋼等，其S-N曲線沒有水平部分，只是隨應(yīng)力降低，循環(huán)周次不斷增大，此時只能根據(jù)材料的使用要求規(guī)定某一循環(huán)周次下不發(fā)生斷裂的應(yīng)力作為條件疲勞極限，或稱有限壽命疲勞極限。
(二)疲勞曲線的測定
通常疲勞曲線用旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)測定，其四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)機(jī)原理見下圖。
S-N曲線的高應(yīng)力(有限壽命)部分用成組試驗(yàn)法測定，即取3-4級較高應(yīng)力水平，在每級應(yīng)力水平下，測定5根左右試樣的數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算中值(存活率50%)的疲勞壽命。
用升降法測得的σ-1作為S-N曲線的低應(yīng)力水平點(diǎn)，與成組試驗(yàn)法的測定結(jié)果擬合成直線或曲線，就可得到存活率為50%的中值S-N曲線。
(三)不同應(yīng)力狀態(tài)下的疲勞極限
同一材料，不同應(yīng)力狀態(tài)下的疲勞極限不同，但它們之間存在一定聯(lián)系。
實(shí)驗(yàn)確定：對稱彎曲疲勞極限與對稱拉壓、扭轉(zhuǎn)疲勞極限之間存在一定關(guān)系。
(四)疲勞極限與靜強(qiáng)度的關(guān)系
試驗(yàn)表明，金屬材料的抗拉強(qiáng)度越大，其疲勞極限也越大。
對于中、低強(qiáng)度鋼，疲勞極限與抗拉強(qiáng)度間大體呈線性關(guān)系。
σb較低時，可近似寫成σ-1=σb。
σb較高時，這種近線性關(guān)系就會發(fā)生偏離，這是由于強(qiáng)度較高時，材料的塑性和斷裂韌性下降，裂紋易于形成和擴(kuò)展所致。
02.疲勞圖和不對稱循環(huán)疲勞極限
很多機(jī)件是在不對稱循環(huán)載荷下工作的，因此還需要測定材料的不對稱循環(huán)疲勞極限，以滿足這類機(jī)件的設(shè)計(jì)和選材的需要。
通常用工程作圖法，由疲勞圖求得各種不對稱循環(huán)的疲勞極限。
根據(jù)不同的作圖方法有兩種疲勞圖：
(一)σa-σm疲勞圖
在不同應(yīng)力比r條件下將σmax表示的疲勞極限σr分解為σa和σm，并在該坐標(biāo)系中作ABC曲線，則得到σa-σm疲勞圖。
(二)σmax(σmin)-σm疲勞圖
將不同應(yīng)力比r下的疲勞極限，分別以σmax(σmin)和σm表示于坐標(biāo)系中，就形成疲勞圖。
AHB就是在不同r下的疲勞極限σmax。
疲勞極限隨平均應(yīng)力或應(yīng)力比的增加而增加，但應(yīng)力幅度a減小。
03.抗疲勞過載能力
金屬機(jī)件偶然經(jīng)受短期過載，材料原來的疲勞極限可能沒有變化，也可能有所降低，這要具體視材料所受過載應(yīng)力及相應(yīng)的累計(jì)過載周次而定。
如果金屬在高于疲勞極限的應(yīng)力水平下運(yùn)轉(zhuǎn)一定周次后，其疲勞極限和疲勞壽命減小，這就造成了過載損傷。
金屬材料抵抗疲勞過載損傷的能力，用過載損傷界或過載損傷區(qū)表示。
過載損傷界由實(shí)驗(yàn)確定：測出不同過載應(yīng)力水平和相應(yīng)的開始降低疲勞壽命的應(yīng)力循環(huán)周次，得到不同的試驗(yàn)點(diǎn)，連接各點(diǎn)便得到過載損傷界。
過載損傷界與疲勞曲線高應(yīng)力區(qū)直線段(該線段各應(yīng)力水平下發(fā)生疲勞斷裂的應(yīng)力循環(huán)周次稱為過載持久值)之間的影線區(qū)，稱為過載損傷區(qū)。
機(jī)件過載運(yùn)轉(zhuǎn)到這個區(qū)域里，都要不同程度地降低材料疲勞極限，在持久值附近，降低的越多。
材料的過載損傷界(或過載持久值)越陡直，損傷區(qū)越窄，則其抵抗疲勞過載的能力越強(qiáng)。
04.疲勞缺口敏感度
機(jī)件由于使用的需要，常常帶有臺階、拐角、鍵槽、油孔、螺紋等，這些結(jié)構(gòu)類似于缺口作用，會改變應(yīng)力狀態(tài)造成應(yīng)力集中。
所以了解缺口引起的應(yīng)力集中對疲勞極限的影響也很重要。
根據(jù)疲勞缺口敏感度評定材料時，可能出現(xiàn)兩種情況：
(a)Kf=Kt，即缺口試樣疲勞過程中應(yīng)力分布與彈性狀態(tài)*一樣，沒有發(fā)生應(yīng)力重新分布，這時缺口降低疲勞極限最嚴(yán)重，疲勞缺口敏感度qf=1，材料的缺口敏感性最大。
(b)Kf=1，σ-1=σ-1N，缺口不降低疲勞極限，說明疲勞過程中應(yīng)力產(chǎn)生了很大的重分布，應(yīng)力集中效應(yīng)*被消除，qf=0，材料的缺口敏感性最小。
所以qf值能反映在疲勞過程中材料發(fā)生應(yīng)力重新分布，降低應(yīng)力集中的能力。
高周疲勞時：大多數(shù)金屬都對缺口十分敏感；
低周疲勞時：大多數(shù)金屬都對缺口不太敏感，這是因?yàn)楹笳呷笨诟繀^(qū)域已處于塑性區(qū)內(nèi)，發(fā)生應(yīng)力松弛，使應(yīng)力集中降低所致。