疲劳试验方法介绍

当部件的一个点受到足够大的干扰应力时,在足够数量的循环之后形成裂缝,并且这种现象称为疲劳。疲劳断裂是工程结构和部件失效的主要原因。在目前的应用和研究中,有四种主要类型的疲劳测试方法:
1.名义应力和应变方法;
2.局部应力和应变方法;
3.能量法;
4.断裂力学方法。
本文简要介绍了四种方法及其应用。

1.名义压力法

标称应力法是对标准部件施加额定应力试验的方法,根据最大循环应力和屈服应力之间的关系分为应力疲劳和应变疲劳。
首先,引入应力疲劳,如果最大循环应力Smax小于屈服应力Sy,则定义为应力疲劳。由于应力疲劳试验,材料寿命超过104次,因此应力疲劳也称为高周疲劳。根据应力疲劳理论,金属材料的应力S和失效循环次数N是非线性分布的。可用功率函数:取对数:,或使用指数:以对数表示,此方法称为SN方法。使用SN曲线或实际测试中的p(存活率)-SN曲线分析结果。
应力疲劳通常用于材料疲劳SN曲线。如图1和图2所示,通过提升方法测试AZ31B镁合金的疲劳极限(应力比为0.1并且疲劳寿命对应于疲劳载荷为107)。 AZ31B镁合金样品的疲劳极限为97.29 MPa。
图1. AZ31B镁合金疲劳试验

图2. AZ31B镁合金疲劳试验SN曲线

应变疲劳适用于高负载,低设计寿命组件的测试。定义为:如果最大循环应力Smax大于屈服应力Sy,则为应变疲劳。应力疲劳试验用于研究高负荷和低频率的元件。例如,在压力容器的使用寿命期间,总循环数大约为104.因此,应变被用作疲劳性能参数描述。应力疲劳也称为低周疲劳。
基于应变疲劳的研究学者提出了以下理论,应力 - 应变(Remberg-Osgood弹塑性应力 - 应变)材料的关系:

在该公式中,εe弹性应变幅度εp是塑性应变幅度。
在恒定幅度对称应变测试中,由于材料的塑性变形,当应变减小时,应力不能通过原始路径减小,并且应力 - 应变曲线是环形的。该曲线称为滞后回路。随着循环次数的增加,相同的应变幅度应力将增加或减少。对应于该变化的该应力的响应称为循环硬化或循环软化。该循环足以进行多个循环,并且一些材料将形成稳定的磁滞回线。
在应变疲劳中,应力 - 应变曲线用于描述材料的循环硬化或循环软化趋势。对于具有对称磁滞回线曲线的材料,它被称为质量材料。
下图显示了ZK60镁合金在轧制方向和横向上的σ-ε曲线。在横向方向上,循环硬化现象是显而易见的。
图3. ZK60A镁合金沿轧制σ-ε曲线的载荷

图4.沿横向σ-ε曲线的ZK60A镁合金载荷

2.局部应力和应变方法

对于缺口试样和应力集中组件,使用局部应力 - 应变分析。目前的研究表明,构件的疲劳寿命是局部最大应变和应力,并提出了应力集中系数的概念。它适用于计算材料裂纹形成的寿命和部件残余疲劳寿命的预测。
局部应力法提出的理论有Neuber公式(应力集中公式)
Minner理论(疲劳累积损伤理论):在恒定应力S下的构件的疲劳寿命为N,那么通过n个循环的损伤是:

如果在k常应力Si下经受ni循环,则总损伤可定义为:

损坏标准是:

局部应力方法的应用如图5和图6所示。
图5.缺口试样的疲劳寿命预测
图6.起重机疲劳寿命预测(起重机应力和应变测试点分布图)

应力集中点疲劳寿命根据以下公式计算:

其中:Sf - 等效应力平滑样品疲劳寿命
图6起重机疲劳寿命计算方法是输入不同试验点的时间历程图,输入各点的疲劳寿命方程,计算各点的剩余疲劳寿命。默认的寿命最小点是设备的剩余疲劳寿命。对于起重机,学者们认为普通钢的累积损伤值D达到0.68。

3.能量法

红外热成像是一种基于材料疲劳过程的能量常数定律来预测疲劳性能的方法。疲劳热成像方法基于热力学能量U,动能K和疲劳过程中的其他形式的能量耗散。能量变化E和由物体吸收或消散的热变化Q的总和应该是作用在物体上的功W.相同。
疲劳热成像具有无损,实时,无接触的优点。同时,由于能量耗散与疲劳载荷之间的非线性关系,以及散热引起的温度耗散误差,仍不适合工业测量。
目前的研究提出了以下预测模型理论,Luong方法,ΔTmax和疲劳寿命Nf如下:

其中:C1,C2是常数。
因此,可以通过双线法预测疲劳极限。基于散热,学者们提出了以下模型:

R-温升斜率
以下是太原理工大学张红霞教师团队对疲劳热成像方法的研究。通过热成像可以快速预测AZ31B镁合金的疲劳寿命。只需要测试样品第一阶段的温度升高,以根据双线法预测材料的疲劳极限。分别如图7,图8,图9所示。
图7. AZ31B镁合金样品在疲劳试验中具有不同循环时间的表面温度

图8. AZ31B疲劳过程样品表面温度曲线

图9.温度随疲劳载荷的变化

4.断裂力学方法

线弹性断裂力学是研究疲劳裂纹扩展的理论基础。疲劳裂纹扩展也可以通过应力强度因子K定量描述。
在疲劳载荷下,裂纹长度a随循环次数N,da / dN的变化率a是疲劳裂纹扩展的速率,反映了裂纹扩展的速度。对于给定的裂纹长度a,da / dN随着循环应力幅值Δσ的增加而增加(Δσ越大,ΔK越大)。基于这一现象,学者们研究了da / dN-ΔK(裂纹扩展)。速率 - 应力强度增加曲线,曲线可分为三个区域:低速率,中速率,高速率区域。巴黎公式表明,中等利率的稳定延伸之间存在线性关系:
裂纹尖端形状的经验公式:

在损伤力学框架下可以统一疲劳裂纹的形成和膨胀。
以下是AZ31B镁合金裂纹扩展速率的研究,并评估AZ31B的稳定膨胀率。
图10.疲劳裂纹尖端竞争机制的示意图

图11.裂纹尖端处应力 - 应变场的三个不同区域的示意图

图12.疲劳裂纹尖端竞争机制的aN曲线示意图

图13.疲劳裂纹尖端竞争机制的da / dN-ΔK曲线示意图

AB段(中速区):da / dN = 4.57×10-7(ΔK)3.25(7.2 <ΔK≤13.5MPa•m1 / 2)
BC段(高速区):da / dN = 3.16×10-10(ΔK)6.21(13.5 <ΔK≤22.1MPa•m1 / 2)
结论:
这四种方法在应用上有所不同。名义应力法和局部应力法适用于工业领域的材料和部件性能测试。能量法可以预测材料的疲劳寿命,断裂力学方法成功地统一了疲劳裂纹的形成和膨胀。

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