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工程中很多機(jī)件和構(gòu)件都是在變動(dòng)載荷下工作,如曲軸、連桿、齒輪、彈簧、輥?zhàn)印⑷~片及橋梁等,其失效形式主要是疲勞斷裂。
疲勞是指機(jī)件和構(gòu)件在服役過(guò)程中,由于承受變動(dòng)載荷而導(dǎo)致裂紋萌生和擴(kuò)展以致斷裂失效的全過(guò)程。變動(dòng)載荷是引起疲勞破壞的外力,是指載荷大小甚至方向均隨時(shí)間變化的載荷,其在單位面積上的平均值為變動(dòng)應(yīng)力。變動(dòng)應(yīng)力分為循環(huán)應(yīng)力和無(wú)規(guī)則隨機(jī)變動(dòng)應(yīng)力。循環(huán)應(yīng)力的波形有正弦波、矩形波和三角形波等。
疲勞的特點(diǎn):疲勞是具有壽命的斷裂,其斷裂應(yīng)力水平往往低于材料抗拉強(qiáng)度,甚至低于屈服強(qiáng)度;疲勞是脆性斷裂(突發(fā)性);對(duì)缺陷(缺口、裂紋及組織缺陷)十分敏感。
在載荷下進(jìn)行試驗(yàn)以提供材料或零部件的某種疲勞數(shù)據(jù)的試驗(yàn)稱(chēng)為疲勞試驗(yàn)。疲勞試驗(yàn)按失效循環(huán)次數(shù)可分為高周疲勞試驗(yàn)和低周疲勞試驗(yàn)。高周疲勞試驗(yàn)以應(yīng)力為基本控制參數(shù),低周疲勞試驗(yàn)以應(yīng)變?yōu)榛究刂茀?shù)。疲勞試驗(yàn)按載荷和環(huán)境可分為室溫疲勞試驗(yàn)、高溫疲勞試驗(yàn)、低溫疲勞試驗(yàn)、熱疲勞試驗(yàn)、腐蝕疲勞試驗(yàn)、接觸疲勞試驗(yàn)和沖擊疲勞試驗(yàn)。
常用試驗(yàn)方法及其特點(diǎn)
單點(diǎn)疲勞試驗(yàn)法
單點(diǎn)疲勞試驗(yàn)法適用于金屬材料構(gòu)件在室溫、高溫或腐蝕空氣中旋轉(zhuǎn)彎曲載荷條件下服役的情況。
試樣要求:(1)試樣數(shù)量為8 ~ 10根;試樣尺寸要求最小截面直徑d一般取6,7,8,9mm,偏差小于0.005d。
升降法疲勞試驗(yàn)
升降法疲勞試驗(yàn)主要用于測(cè)定中、長(zhǎng)壽命區(qū)材料或結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的隨機(jī)特性。在常規(guī)疲勞試驗(yàn)方法測(cè)定疲勞強(qiáng)度的基礎(chǔ)上或在指定壽命的材料或結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度無(wú)法通過(guò)試驗(yàn)直接測(cè)定的情況下,一般采用升降法疲勞試驗(yàn)間接測(cè)定疲勞強(qiáng)度。
(試樣數(shù)量:約16根)
高頻振動(dòng)疲勞試驗(yàn)法
高頻振動(dòng)試驗(yàn)利用試驗(yàn)器材產(chǎn)生含有循環(huán)載荷頻率為1000Hz左右特性的交變慣性力作用于疲勞試樣上,可以滿(mǎn)足在高頻、低幅、高循環(huán)環(huán)境條件下服役金屬材料的疲勞性能研究。高頻振動(dòng)試驗(yàn)主要用于軍民機(jī)械工程的需要。
試樣要求:試樣形狀同單點(diǎn)疲勞試樣相同;試樣材料一般選用高強(qiáng)度鋼。
超聲波疲勞試驗(yàn)
超聲法疲勞試驗(yàn)是一種加速共振式的疲勞試驗(yàn)方法,其測(cè)試頻率(20kHz)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)常規(guī)疲勞測(cè)試頻率(小于200Hz)。超聲法疲勞試驗(yàn)一般用于超高周疲勞試驗(yàn),主要針對(duì)109以上周次疲勞試驗(yàn)。
試樣分為拉壓試樣和三點(diǎn)彎曲試樣。
材料強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)