纯弯曲疲劳试验机简介及实验方法及步骤

1.实验目的

1）观察疲劳断口的特征。

2）了解疲劳曲线的测定方法及疲劳极限的确定方法。

3）了解纯弯曲旋转疲劳试验机的构造原理及使用方法。

2.纯弯曲疲劳试验机简介

疲劳试验机是模拟实际工作情况为试样提供交变应力、给出稳定参数的实验设备。由于实际工作情况的多样性，疲劳试验机的类型亦具有多种。现仅就纯弯曲旋转疲劳试验机进行介绍，如图3-4所示。

图3-4　纯弯曲旋转疲劳试验机

试样2被紧紧地夹持在左、右套筒夹头6、9中，与套筒夹头成为整体。套筒夹头由轴承1、3支承在外壳中并可在外壳中自由旋转。两外壳的一端（外端）简支在机A、B上，使试样成为可旋转的简支梁，两外壳的另一端则通过传力架8加上载荷（砝码7）。总载荷包括所加砝码以及传力架、套筒夹头、外壳等的标定折合重量。a为传力架拉杆至支承间的距离。当电动机10通过计数器5、联轴节4带动试样旋转时，每转一周，试样表面各点的最大弯曲正应力就正、负交变一次，从而使试样承受对称循环交变应力的作用。应力循环次数由计数器记录，当试样断裂后，即自动停机。

3.疲劳试样

疲劳试样的尺寸、加工质量及表面粗糙度都极为敏感地影响测试结果。为保证疲劳实验的结果具有“可比性”及“再现性”，除对试样尺寸要求标准化，加工处理要求规格化外，还对其表面要求沿纵向抛光。

疲劳试验机与纯弯曲旋转疲劳试样尺寸及加工要求如图3-5所示。试样工作段等直、等弯矩，故各截面上应力相等。而在d到D的过渡圆弧区，易受应力集中而断裂，故尤须注意其尺寸及加工要求。

图3-5　疲劳试验机与纯弯曲旋转疲劳试样尺寸及加工要求

4.实验原理

材料在交变应力作用下所产生的破坏，称为疲劳破坏。疲劳破坏具有明显的基本特征：

1）要在一定大小的交变应力作用下，经一定次数的应力循环方能发生，且交变应力最大值比材料的静载强度极限σb低得多。

2）即使是塑性材料，疲劳断裂也是突然发生，事先无明显征兆。

3）疲劳断口可明显地分为两个部分：一部分是疲劳裂纹延展部分，即光滑区，它是由于应力交替变动，致使裂纹反复挤压摩擦而成为光滑表面或贝壳纹状；另一部分是残存截面的最后瞬间断裂而呈脆断粗粒状区。

使用纯弯曲旋转疲劳试验机对试样施加对称循环交变应力，实验研究表明：交变应力幅值Sa越大，试样破坏前经历的应力循环次数N越少；反之，Sa越小，破坏前的循环次数N就越多。而当交变应力幅值减小到某一临界值时，材料就能承受无穷次应力循环而不会产生疲劳破坏。交变应力幅值的此临界值就叫做材料的疲劳极限（或持久极限）。对于一般钢材而言，当其在某一交变应力下循环次数N达到107次都还未发生破坏的话，则认为该材料在此交变应力作用下将不会产生疲劳破坏。故常将107称为“不循环基数”。而不循环基数所对应的最大应力Smax，叫做疲劳极限（亦叫条件疲劳极限）。对称循环的疲劳极限以σ−1表示。用以表达交变应力S（幅值）与循环次数N（寿命）之间关系的曲线，叫做疲劳曲线（S-N曲线），如图3-6所示。

图3-6　疲劳曲线（S-N曲线）

5.实验方法及步骤

在疲劳实验中，测定S-N曲线最简单的方法是“常规实验”。完成一次常规实验需要材料、尺寸及加工处理都相同的试样8～10根。按下述方法步骤进行实验：

（1）静力拉伸实验(www.zuozong.com)

取一根试样在万能材料试验机或拉力试验机上做静力拉伸实验，以测定其静载强度极限σb，作为拟订加载方案的依据，同时检验该材料是否符合静载强度要求。

（2）拟订各根试样的加载方案

装夹在试验机上的试样，在总载荷P的作用下，其最大弯曲应力

式中：a为传力架拉杆至支座的距离；d为试样的直径。

故作用于试样上的交变应力最大幅值

当试样最大弯曲应力达到强度极限bσ时，则其强度极限载荷

实验时，一般取第一根试样的应力幅值S1=0.6σb，相应的载荷值P1=0.6Pb。其余各根试样的载荷，则按顺序依次逐渐减小。开始两相邻载荷的差值可大一些，阻碍着各根试样载荷逐次降低，相邻载荷的差值亦越来越小。通常将施加于试样上的载荷P与强度极限载荷Pb之比值称为加载系数K。

一般取：K1≈0.6，K2≈0.48，K3≈0.4，K4≈0.34，K5≈0.29，K6≈0.26，K7≈0.24，K8≈0.25。这样，便可根据所取K值，按式（3.10）、式（3.11）拟订各试样的加载方案：

（3）进行实验

实验前，应对各根试样进行编号记录。逐根进行实验时，应记录相应的加载系数K、载荷P，及计数器的初读数N0。试样断裂（或循环次数N＞107尚未断裂而停机）后，则应记录计数器末读数NM以及断口部位及异常现象等。并计算出试样的循环次数N=NM−N0。

实验由第一号试样开始，依次逐根进行。若被测试样的循环次数N＜107而断裂，则仍按上述加载方案顺次继续进行实验，当被测试样的循环次数N＞107而未断裂时，则称为“越出”（图3-7）。

图3-7　疲劳极限载荷的确定

疲劳极限的确定按下述方法进行，例如：第六号试样在P6（=0.026Pb）作用下，循环次数N＜107而断裂，而第7号试样在P7（=0.24Pb）作用下，经107次循环而越出。此时，若P6−P7＜P7×5%，则疲劳极限载荷P−1=(P6+P7)/2，疲劳极限σ−1=16aP−1/(πd3)；若P6−P7＞ P7×5%，则还需取第8号试样进行实验，但施加于第8号试样的载荷应改取为P8=(P6+P7)/2。第8号试样的实验结果，可能出现下述两种情况：

1）第8号试样在P8作用下，经107次循环而越出，且P6−P8＜P8×5%，则疲劳极限载荷P−1=(P6+P8)/2，疲劳极限σ−1=16aP−1/(πd3)。

2）若第8号试样在P8作用下，循环次数N8＜107而断裂，且P8−P7＜P7×5%，则疲劳极限载荷P−1 =(P7+P8)/2，疲劳极限σ−1=16aP−1/(πd3)。

6.实验结果处理

根据各根试样的载荷值Pi，按式（3.9）分别算出其交变应力最大幅值Si。以交变应力幅值S为纵坐标，循环次数N为横坐标，根据各根试样所测得的对应数据（S，N），在坐标平面内描点（包括疲劳极限），并用曲线或直线拟合，即得S-N曲线（图3-6）。

7.注意事项

开动试验机使试样旋转后，再迅速而无冲击地加上载荷；一旦加上载荷，即应记录计数器的初读数N0。