金屬旋轉彎曲疲勞試驗：測試原理與設備介紹

　更新時間：2023-06-05　點擊量：2156

金屬材料在工程領域中扮演著重要的角色，然而在使用過程中，由于外部環境和載荷作用等因素的影響，金屬材料往往會產生疲勞損傷，這將導致材料失效甚至引發事故。因此，研究金屬材料的疲勞性能及其疲勞壽命是非常必要的。

金屬旋轉彎曲疲勞試驗是一種常用的疲勞試驗方法，該方法主要用于評估金屬材料在旋轉彎曲載荷作用下的疲勞性能。該試驗方法能夠模擬金屬材料在實際使用中的受力情況，具有較高的可靠性和準確性，因此被廣泛應用于航空航天、汽車制造、機械制造等領域。

本文科準測控小編將介紹金屬旋轉彎曲疲勞試驗方法的原理、設備、操作步驟和數據處理方法。

一、測試原理

1、原理

試樣旋轉并承受一彎矩，產生彎矩的力F恒定不變且不轉動。試樣可裝成懸臂，在一點或兩點加力,或裝成橫梁，在四點加力。試驗一直進行到試樣失效或超過預定應力循環次數。

注：失效——試樣出現肉BS可見疲勞裂紋或斷裂。在特殊應用中，可用試樣的塑性變形成裂紋擴展速率確定試驗的終止。

2、測試相關內容

a、疲勞——材料在交變應力或應變作用下，產生局部累積損傷，經一定循數而失效。

b、疲勞壽命，N——在規定應力或應變作用下，材料失效前所經受的循環次數。

c、S-N曲線圖——應力與疲勞壽命的關系曲線圖形。

d、應力比，R——最小應力與最大應力的比值，（見圖1）。

e、疲勞極限——對應于規定循環次數的中值疲勞強度。

f、疲勞極限——當N為無窮大時的中值疲勞強度。

g、理論應力集中系數，Kt——根據彈性理論計算的應力集中區最大應力與該區標稱應力的比值。

h、存活率，P——疲勞壽命高于規定值的百分率。

二、測試儀器

可用不同類型旋轉彎曲疲勞試驗機，但應滿足如下要求：

1、所施彎矩誤差不大于土1%。

2、將檢驗棒裝于試驗機上，慢慢轉動試驗機主軸，用百分表沿檢驗棒的試驗部分或沿其自由端測得的徑向跳動量不大于0.02mm。裝上標準試樣空載運轉時，在主軸筒加力部位測得的徑向跳動量最小于0.06mm。

3、初始彎矩應盡可能小。對于最大彎矩大于3kgf?m(29.4N?m)的純彎曲疲勞試驗機，其初始彎矩不大于最大彎矩的10%，對于最大彎矩小于3kgf?m(29.4N?m)的純彎曲疲勞試驗機，其初始彎矩不大于最大彎矩的5%。

4、試驗速度范圍為900~10000rpm,并分級或無級連續可調。

三、測試流程

1、試樣的制備

試樣形狀如圖2~8所示，可為圓柱形、圓錐形和漏斗形，其試驗截面均為圓形。

試驗部分形狀應根據所用試驗機的加力方式設計，夾持部分形狀應根據所用試驗機的夾持方式設計。各種情況下試樣所承受的彎矩M圖和標稱應力S圖如圖2~8所示。

2、操作步驟

1）安裝試樣

將試樣裝入試驗機，牢固夾緊，并使其與試驗機主軸保持良好同軸。當用手慢慢轉動試驗機主軸時，用百分表在純彎曲試驗機的主軸上或在懸臂彎曲試驗機中試樣自由端上測得的徑向跳動量均應不大于0.03mm。啟動試驗機后，空載正常運轉時，在主軸筒加力部位測得的徑向跳動量應不大于0.06mm。加力前，必須檢定上述值，使之符合要求。裝樣時切忌接觸試樣試驗部分表面。

2）獲得試驗速度

開動試驗機，并使試驗速度達規定值。

推薦試驗速度范圍為900~10000rpm。同一批試驗的試驗速度應相同。不得采用引起試樣共振的試驗速度。

3）加力

以遞増或連續的方式，平穩而無沖擊地將力加到規定值。

4）終止試驗

試驗一直進行到試樣失效或達規定循環次數時終止。試驗原則上不得中斷。

試樣失效如發生在最大應力部位之外、或斷口有明顯缺陷、或中途停試產生異常數據，則試驗結果無效。

5）測定條件疲勞極限

采用升降法測定條件疲勞極限。有效的試樣數量一般在十三根以上。應力增量一般為預計條件疲勞極限的3~5%。試驗一般在3~5級應力水平下進行。第-根試樣的應力水平應略高于預計的條件疲勞極限。根據上一根試樣的試驗結果（破壞或通過），決定下一根試樣的應力（降低或升高），直至完成全部試驗。第一對相反結果以前的數據，如在以后數據的應力波動范圍之內，則作為有效數據加以利用，即在試驗過程中應陸續將它們平移到第一對相反結果之后，作為該試樣所在應力水平下的第-個有效數據。

條件疲勞極限按下式計算：