试验机上的疲劳试验

创作时间:

2025-01-21 23:37:53

作者:

@小白创作中心

试验机上的疲劳试验

材料疲劳是工程领域一个重要的研究课题，特别是在航空航天、汽车制造、能源工程等关键领域。疲劳试验通过模拟材料在循环载荷下的性能，评估其在实际使用中的可靠性和寿命。本文将详细介绍两种常见的疲劳试验方法：高周疲劳试验（S-N试验）和低周疲劳试验（LCF试验），并探讨其原理、标准和应用。

循环载荷下的材料疲劳

在疲劳试验中，材料疲劳是通过一个具有相应测试频率的循环载荷来诱发的。这可能涉及拉伸或压缩中的脉动加载试验，以及对拉伸和压缩部件进行的交变载荷试验。

疲劳试验中的材料失效通常发生在远低于静态强度极限的情况下。疲劳试验的结果通常以应力-载荷循环图的形式呈现。这里绘制了试样断裂循环数随循环应力振幅的变化图。疲劳试验一方面用于测定特性值，另一方面用于测定疲劳寿命。

常见疲劳试验

高周疲劳试验 / S-N试验

在根据DIN 50100进行的高周疲劳试验（也称为S-N试验）中，以中低循环振幅对试样进行试验。

高周疲劳试验（S-N试验），按照DIN 50100、ASTM E466-15、ISO 1099标准

高周疲劳(HCF)试验在根据DIN 50100 / ASTM E466-15 / ISO 1099进行的高周疲劳试验（也称为S-N试验）中，通过周期性变化的（循环）载荷对材料或部件施加应力。ASTM D3479介绍了对复合材料的试验。

高周疲劳试验用于测定拉伸、压缩、弯曲和扭转载荷下的有限寿命疲劳强度和高周疲劳强度。在高周疲劳试验中，载荷幅和平均载荷在单级疲劳试验中是恒定的。根据载荷幅的大小，可以在试样失效前以不同的频率施加。

根据DIN 50100 / ASTM E466-15 / ISO 1099执行高周疲劳试验

在高周疲劳试验中，测定材料或部件的有限寿命疲劳强度和高周疲劳强度。为此会循环加载大量试样。

进行S-N试验，直到试样出现规定的失效（断裂、裂纹）。
该试验定义了特定的循环数（循环数阈值）。如果试样达到此循环数阈值而无可识别的失效，则认为其是耐用的或称为跳动试样。

在每次高周疲劳试验中，循环载荷的平均应力、高应力和低应力是恒定的。对于同一S-N曲线上的试验，要么只改变平均应力，要么只改变高应力与低应力之比。

S-N曲线（Woehler曲线）

在多个高周疲劳试验中测定的循环应力幅和循环数的测量值可得到S-N曲线。从S-N图中，您可以读取特定载荷幅的载荷变化最大次数。

S-N曲线分为三个区域：

低周疲劳K：高载荷幅会在试样上产生塑性应变，并导致试样在进行低数量的循环后失效。DIN 50100标准中不涉及低周疲劳区域。
有限寿命疲劳Z：根据载荷幅的大小，试样只能承受一定数量的循环。
高周疲劳D：根据载荷幅，会出现断裂和跳动。

有限寿命疲劳曲线

在双对数表示中，S-N曲线的有限寿命疲劳范围几乎是直的。这条直线也称为有限寿命疲劳曲线。

有限寿命疲劳曲线的位置和斜率取决于多种影响因素：

材料
试样几何形状
载荷类型
生产条件
热处理方式
表面粗糙度

用于根据DIN 50100 / ASTM E466-15 / ISO 1099执行高周疲劳试验的产品

为了产生高周疲劳试验所需的载荷幅，可以使用不同的试验机。试验机必须能够补偿试样刚度或试验装置的调整或变化。

低周疲劳(LCF)试验

在根据ISO 12106 / ASTM E606进行的低周疲劳(LCF)试验中，试样在高周幅和塑性变形下进行试验。

低周疲劳(LCF)试验，按照ISO 12106 / ASTM E606标准

低周疲劳强度的测定低周疲劳指的是在低循环数下的疲劳强度。

根据ISO 12106和ASTM E606进行的低周疲劳(LCF)试验是模拟循环载荷直至失效的疲劳试验。通常使用电液伺服疲劳试验机执行该试验。

承受极端热力载荷和机械载荷的材料只能在其低周疲劳范围内进行设计，即达到最大载荷变化次数105。主要的例子包括用于飞机发动机的涡轮叶片和盘片，以及用于发电的固定式涡轮机。此外，LCF试验还用于废气涡轮增压器、排气歧管和其他类似部件。在这些部件中，设计的缺口（如刀片-盘片连接）受到应变诱导的塑性循环变形，这迟早会导致破裂。在低周疲劳(LCF)试验中，在试样上模拟这些载荷，并测定裂纹萌生循环数。试验通常在高温下进行。试验频率通常在0.01到5 Hz之间。

为此特别需要使用试验机和试验机控制系统。在从弹性变形向塑性变形过渡期间，试样的刚度变化显著，控制器必须迅速做出反应，例如保证恒定的应变增加速率。此时，试验机的极高刚度起着至关重要的作用。