金屬材料疲勞S-N曲線(xiàn)測(cè)定的分析

曾俊燾

（廣東省智能制造研究所，廣東 廣州 510070）

金屬疲勞是一種受到循環(huán)應(yīng)力以及循環(huán)應(yīng)變的影響，所產(chǎn)生的一種永久性損傷。在總結(jié)和調(diào)查資料后給出，金屬材料疲勞具有以下不同特點(diǎn)：其一，疲勞是在低應(yīng)力循環(huán)過(guò)程中出現(xiàn)，是一種延時(shí)斷裂，而且斷裂應(yīng)力的水平低于材料的抗拉強(qiáng)度，低于材料的屈服強(qiáng)度。其次，此金屬疲勞是一種脆性斷裂，其一般疲勞應(yīng)力水平才相對(duì)低于屈服強(qiáng)度。因此，不管是韌性材料抑或是脆性材料，在前期均不會(huì)出現(xiàn)塑性變形與游行預(yù)兆。最后，疲勞對(duì)于缺陷較為敏感，因?yàn)槠诰怯删植恐饾u蔓延，因此，對(duì)于缺陷來(lái)說(shuō)，具有高度的可選擇性。上述疲勞特點(diǎn)較為重要，在S-N曲線(xiàn)測(cè)定期間，必須加以重視，確保測(cè)定的科學(xué)性。

1 金屬材料理論闡述

金屬疲勞為零構(gòu)件以及各類(lèi)材料，在受到循環(huán)應(yīng)力以及循環(huán)應(yīng)變的影響下，于一處或者幾處在局部出現(xiàn)永久性的損傷。在經(jīng)過(guò)一定循環(huán)次數(shù)后，出現(xiàn)裂紋以及突然性斷裂。對(duì)于金屬結(jié)構(gòu)以及材料在受到反復(fù)變化載荷的影響，盡管其應(yīng)力值并未超過(guò)材料負(fù)載強(qiáng)度極限，其強(qiáng)度極限甚至低于彈性極限，就會(huì)帶來(lái)較大的破壞。因此，我們把這種反復(fù)行為、在交變載荷作用下，對(duì)建筑材料以及結(jié)構(gòu)低帶來(lái)的破壞，就被稱(chēng)之為金屬習(xí)慣疲勞破壞。對(duì)于常規(guī)性疲勞強(qiáng)度的計(jì)算，需要把應(yīng)力作為基礎(chǔ)，計(jì)算出無(wú)限壽命以及有限壽命。

2 S-N曲線(xiàn)測(cè)定理論闡述

材料疲勞性的性能常把單軸應(yīng)力以及循環(huán)的次數(shù)，利于S-N曲線(xiàn)去表示。與此同時(shí)，也要考慮到斷裂力學(xué)以及疲勞理論，利于更好的把應(yīng)力伴隨時(shí)間的變化全部規(guī)律展現(xiàn)，如脈沖波的變化規(guī)律、方波的變化規(guī)律、正弦波的變化規(guī)律等?？偟膩?lái)說(shuō)，S-N曲線(xiàn)測(cè)定是結(jié)合材料自身疲勞的強(qiáng)度及試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)，去分析和獲得疲勞壽命與應(yīng)力S之間的曲線(xiàn)關(guān)系。

在聲波疲勞性能的測(cè)試試驗(yàn)過(guò)程中，常常是利用聲壓級(jí)去替代應(yīng)力級(jí)的S對(duì)材料進(jìn)行繪制。利于高效繪制出聲疲勞的性能曲線(xiàn)。金屬材料疲勞S-N曲線(xiàn)方法的應(yīng)用，能夠確保零件的實(shí)際意義壽命。延長(zhǎng)其實(shí)際應(yīng)用期限。

3 金屬材料疲勞S-N曲線(xiàn)測(cè)定過(guò)程

3.1 金屬測(cè)定材料

文章選擇的測(cè)定材料為500 MPa級(jí)汽車(chē)用鋼，鋼板厚度為8 mm，其疲勞式樣的尺寸如下圖1所示。試驗(yàn)設(shè)備所選擇的為德國(guó)Zwick/Roell公司生產(chǎn)的HB250型高性能動(dòng)態(tài)疲勞測(cè)試系統(tǒng)。

圖1 金屬測(cè)定材料疲勞式樣的尺寸

3.2 金屬材料疲勞S-N曲線(xiàn)測(cè)定方法

金屬材料疲勞S-N曲線(xiàn)測(cè)定方法，選擇成組方法進(jìn)行試驗(yàn)。確定判定通過(guò)的疲勞壽命值為1×107，疲勞應(yīng)力比例值0.15。對(duì)金屬材料施加一個(gè)最大載荷的值，能夠利用預(yù)備性的試驗(yàn)區(qū)確定。各個(gè)應(yīng)力水平之間的間隔，可把梯度值設(shè)置為8以及8.5 MPa既可。試驗(yàn)從大約0.35Rm這一水平的應(yīng)力逐漸開(kāi)始，而后不斷升高或者降低。測(cè)定試驗(yàn)過(guò)程，需確保在高于6個(gè)應(yīng)力水平之間開(kāi)展，確保有效試驗(yàn)的次數(shù)低于13個(gè)。對(duì)于某一應(yīng)力水平標(biāo)準(zhǔn)下，數(shù)據(jù)檢測(cè)，數(shù)據(jù)分散測(cè)試較小的試件，應(yīng)結(jié)合實(shí)際盡量少些提取，如果數(shù)據(jù)的分散性較大，則將要需要更多的金屬試驗(yàn)。

3.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)的總體分布情況分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)整體的分布情況為在高應(yīng)力水平區(qū)域的分布度較小，因此，在地應(yīng)力水平區(qū)域的分散度則較大。在相同應(yīng)力的水平下，所檢測(cè)出的疲勞測(cè)試結(jié)果存在出入，其分散性較大。因此，在實(shí)際金屬材料疲勞S-N曲線(xiàn)測(cè)定期間，對(duì)于離散度的測(cè)試，需要考慮到取舍問(wèn)題。通常來(lái)看，可以從物理方法和數(shù)學(xué)方法角度來(lái)分析。但是基于數(shù)學(xué)方法更具有效性，文章主要針對(duì)數(shù)學(xué)方法來(lái)應(yīng)用。

4 金屬材料疲勞S-N曲線(xiàn)測(cè)定結(jié)果

金屬材料疲勞S-N曲線(xiàn)測(cè)定中數(shù)據(jù)分布范圍低于力量計(jì)算數(shù)值，疲勞測(cè)試的結(jié)果具有較大分散性。

由圖2可知，隨著偏差系數(shù)A的增加，結(jié)構(gòu)參數(shù)Kf、ε、β、Cl取值區(qū)間增大，則應(yīng)力比值區(qū)間也隨著增大。在工程設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)參數(shù)可以通過(guò)查疲勞設(shè)計(jì)手冊(cè)或少量實(shí)驗(yàn)樣本估算出一個(gè)區(qū)間，區(qū)間越小，則偏差系數(shù)A越小，所得到的結(jié)構(gòu)件應(yīng)力比值就越精確。

圖2 結(jié)構(gòu)件應(yīng)力與材料應(yīng)力比值和偏差系數(shù)的變化關(guān)系

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，金屬疲勞為受到一定變應(yīng)力的影響，出現(xiàn)金屬材料的破壞現(xiàn)象。機(jī)械零部于交變壓力的影響下，在一段時(shí)間過(guò)后，于局部區(qū)域可能出現(xiàn)微小的裂紋，此裂紋的不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致出現(xiàn)斷裂。金屬疲勞的出現(xiàn)在時(shí)間上具有突發(fā)性的特點(diǎn)，在位置上具有局部性的特點(diǎn)，在環(huán)境方面具有敏感性。金屬疲勞應(yīng)力的幅值以及平均應(yīng)力的大小和循環(huán)次數(shù)，對(duì)金屬疲勞的程度影響及較大。