一、疲勞曲線和對稱循環疲勞曲線
1. 疲勞曲線和疲勞極限
疲勞曲線是疲勞應力與疲勞壽命的關系曲線,即S-N曲線,是確定疲勞極限、建立疲勞應力判據的基礎。
1860年,維勒 (W?hler) 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。
對于一般具有應變時效的金屬材料,如碳鋼、球鐵等,當循環應力水平降到某一臨界值時,低應力段變為水平線段,表明試樣可以經無限次應力循環也不發生疲勞斷裂,故將對應的應力稱為疲勞極限,記為σ-1(對稱循環,r=-1)。這類材料如果應力循環107周次不斷裂,則可認定承受無限次應力循環也不會斷裂,所以常將107周次作為測定疲勞極限的基數。
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,只是隨應力降低,循環周次不斷增大,此時只能根據材料的使用要求規定某一循環周次下不發生斷裂的應力作為條件疲勞極限,或稱有限壽命疲勞極限。
2. 疲勞曲線的測定
通常疲勞曲線用旋轉彎曲疲勞試驗測定。S-N曲線的高應力(有限壽命)部分用成組試驗法測定,即取3-4級較高應力水平,在每級應力水平下,測定5根左右試樣的數據,然后進行數據處理,計算中值(存活率50%)的疲勞壽命。
用升降法測得的σ-1作為S-N曲線的最低應力水平點,與成組試驗法的測定結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。
3. 不同應力狀態下的疲勞極限
同一材料,不同應力狀態下的疲勞極限不同,但它們之間存在一定聯系。實驗確定:對稱彎曲疲勞極限與對稱拉壓、扭轉疲勞極限之間存在一定關系。
4. 疲勞極限與靜強度的關系
試驗表明,金屬材料的抗拉強度越大,其疲勞極限也越大。對于中、低強度鋼,疲勞極限與抗拉強度間大體呈線性關系。
σb 較低時,可近似寫成σ-1=σb ;
σb 較高時,這種近線性關系就會發生偏離,這是由于強度較高時,材料的塑性和斷裂韌性下降,裂紋易于形成和擴展所致。
二、疲勞圖和不對稱循環疲勞極限 很多機件是在不對稱循環載荷下工作的,因此還需要測定材料的不對稱循環疲勞極限,以滿足這類機件的設計和選材的需要。通常用工程作圖法,由疲勞圖求得各種不對稱循環的疲勞極限,根據不同的作圖方法有兩種疲勞圖:
1. σa-σm 疲勞圖
在不同應力比r 條件下將σmax表示的疲勞極限σr 分解為σa 和σm,并在該坐標系中作ABC曲線,則得到σa -σm 疲勞圖。
2. σmax(σmin)-σm 疲勞圖
將不同應力比r 下的疲勞極限,分別以σmax(σmin)和σm 表示于坐標系中,就形成疲勞圖。AHB就是在不同r 下的疲勞極限σmax,疲勞極限隨平均應力或應力比的增加而增加,但應力幅度a 減小。
三、抗疲勞過載能力 金屬機件偶然經受短期過載,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力及相應的累計過載周次而定。
如果金屬在高于疲勞極限的應力水平下運轉一定周次后,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表示。
過載損傷界由實驗確定,測出不同過載應力水平和相應的開始降低疲勞壽命的應力循環周次,得到不同的試驗點,連接各點便得到過載損傷界。過載損傷界與疲勞曲線高應力區直線段(該線段各應力水平下發生疲勞斷裂的應力循環周次,稱為過載持久值)之間的影線區,稱為過載損傷區。
機件過載運轉到這個區域里,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,損傷區越窄,則其抵抗疲勞過載的能力越強。
四、疲勞缺口敏感度 機件由于使用的需要,常常帶有臺階、拐角、鍵槽、油孔、螺紋等,這些結構類似于缺口作用,會改變應力狀態造成應力集中。所以,了解缺口引起的應力集中對疲勞極限的影響也很重要。
根據疲勞缺口敏感度評定材料時,可能出現兩種極端情況:
Kf =Kt,即缺口試樣疲勞過程中應力分布與彈性狀態完全一樣,沒有發生應力重新分布,這時缺口降低疲勞極限最嚴重,疲勞缺口敏感度qf =1,材料的缺口敏感性最大。
Kf =1,σ-1=σ-1N,缺口不降低疲勞極限,說明疲勞過程中應力產生了很大的重分布,應力集中效應完全被消除,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生應力重新分布,降低應力集中的能力。
高周疲勞時,大多數金屬都對缺口十分敏感;低周疲勞時,大多數金屬都對缺口不太敏感,這是因為后者缺口根部區域已處于塑性區內,發生應力松弛,使應力集中降低所致。
