金属疲劳试验

金属疲劳试验大纲

1．通过金属材料疲劳实验,测定金属材料的σ-1(107),绘制材料的S-N曲线,并观察疲劳破坏现象和断口特征,进而学会对称循环下测定金属材料疲劳极限的方法.

2．主要设备:纯弯曲疲劳试验机,游标卡尺;主要耗材:金属材料试样.(单点法需8-10根试样,成组法至少需20根试样.)

金属疲劳试验指导书

在足够大的交变应力作用下，于金属构件外形突变或表面刻痕或内部缺陷等部位，都可能因较大的应力集中引发微观裂纹。分散的微观裂纹经过集结沟通将形成宏观裂纹。已形成的宏观裂纹逐渐缓慢地扩展，构件横截面逐步削弱，当达到一定限度时，构件会突然断裂。金属因交变应力引起的上述失效现象，称为金属的疲劳。静载下塑性性能很好的材料，当承受交变应力时，往往在应力低于屈服极限没有明显塑性变形的情况下，突然断裂。疲劳断口（见图2－30）明显地分为两个区域：较为光滑的裂纹扩展区和较为粗糙的断裂区。裂纹形成后，交变应力使裂纹的两侧时而张开时而闭合，相互挤压反复研磨，光滑区就是这样形成的。载荷的间断和大小的变化，在光滑区留下多条裂纹前沿线。至于粗糙的断裂区，则是最后突然断裂形成的。统计数据表明，机械零件的失效，约有70%左右是疲劳引起的，而且造成的事故大多数是灾难性的。因此，通过实验研究金属材料抗疲劳的性能是有实际意义的。

一﹑实验目的

1.     观察疲劳失效现象和断口特征。

2.     了解测定材料疲劳极限的方法。

二、实验设备

1. 疲劳试验机。

2. 游标卡尺。

三﹑实验原理及方法

在交变应力的应力循环中，最小应力和最大应力的比值

r= （2-16）

称为循环特征或应力比。在既定的r下，若试样的最大应力为σ，经历N₁次循环后，发生疲劳失效，则N₁称为最大应力为σ时的疲劳寿命（简称寿命）。实验表明，在同一循环特征下，最大应力越大，则寿命越短；随着最大应力的降低，寿命迅速增加。表示最大应力σ_max与寿命N的关系曲线称为应力-寿命曲线或S-N曲线。碳钢的S-N曲线如图2－31所示。从图线看出，当应力降到某一极限值σ_r时，S-N曲线趋近于水平线。即应力不超过σ_r时，寿命N可无限增大。称为疲劳极限或持久极限。下标r表示循环特征。

实验表明，黑色金属试样如经历10⁷次循环仍未失效，则再增加循环次数一般也不会失效。故可把10⁷次循环下仍未失效的最大应力作为持久极限σ_r。而把N₀=10⁷称为循环基数。有色金属的S-N曲线在N>5×10⁸时往往仍未趋于水平,通常规定一个循环基数N₀,例如取N₀=10⁸,把它对应的最大应力作为“条件”持久极限。

工程问题中，有时根据零件寿命的要求，在规定的某一循环次数下，测出σ_max，并称之为疲劳强度。它有别于上面定义的疲劳极限。

用旋转弯曲疲劳实验来测定对称循环的疲劳极限σ_-1.设备简单最常使用。各类旋转弯曲疲劳试验机大同小异，图2-32为这类试验机的原理示意图。试样1的两端装入左右两个心轴2后，旋紧左右两根螺杆3。使试样与两个心轴组成一个承受弯曲的“整体梁”上，它支承于两端的滚珠轴承4上。载荷P通过加力架作用于“梁”上，其受力简图及弯矩图如图2-33所示。梁的中段（试样）为纯弯曲，且弯矩为M=Pɑ。“梁”由高速电机6带动，在套筒7中高速旋转，于是试样横截面上任一点的弯曲正应力，皆为对称循环交变应力，若试样的最小直径为d_min，最小截面边缘上一点的最大和最小应力为

＝， ＝- (2-17)

式中I=d。试样每旋转一周，应力就完成一个循环。试样断裂后，套筒压迫停止开关使试验机自动停机。这时的循环次数可由计数器8中读出。

四﹑实验方法

这里介绍的单点实验法的依据是标准HB5152-80（第三机械工业部标准，金属室温旋转弯曲疲劳实验方法）。这种方法在试样数量受限制的情况下，可用以近似地测定S-N 曲线和粗略地估计疲劳极限。更精确地确定材料抗疲劳的性能应采用升降法。

单点实验法至少需8～10根试样，第一根试样的最大应力约为σ₁＝（0.6～0.7）σ_b，经N₁次循环后失效。继取另一试样使其最大应力σ₂=(0.40～0.45) σ_b，若其疲劳寿命N<10⁷，则应降低应力再做。直至在σ₂作用下，N₂>10⁷。这样，材料的持久极限σ_-1在σ₁与σ₂之间。在σ₁与σ₂之间插入4～5个等差应力水平，它们分别为σ₃﹑σ₄﹑σ₅﹑σ₆，逐级递减进行实验，相应的寿命分别为N₃﹑N₄﹑N₅﹑N₆。这就可能出现两种情况：（1）与σ₆相应的N₆<10⁷，持久极限在σ₂与σ₆之间。这时取σ₇=(σ₂+σ₆ )再试，若N₇<10⁷，且σ₇-σ₂小于控制精度△σ^＊（关于△σ^＊，将在下面说明），即σ₇-σ₂<△σ^＊，则持久极限为σ₇与σ₂的平均值，即σ_-1=(σ₇+σ₂)。

若N₇>10⁷,且σ₆-σ₇≤△σ^*,则σ_-1为σ₇与σ₆的平均值,即σ_-1=(σ₇+σ₆)。（2）与σ₆相应的N₆>10⁷，这时以σ₆和σ₅取代上述情况的σ₂和σ₆，用相同的方法确定持久极限。

五﹑试样的制备

同一批试样所用材料应为同一牌号和同一炉号，并要求质地均匀没有缺陷。疲劳强度与试样取料部位﹑锻压方向等有关，并受表面加工﹑热处理等工艺条件的影响较大。因此，试样取样应避免在型材端部，对锻件要取在同一锻压方向或纤维延伸方向。同批试样热处理工艺相同。切削时应避免表面过热，引起较大残余应力。不能有周线方向的刀痕，试样的试验部位要磨削加工，粗糙度为0.8～0.2。过渡部位应有足够的过渡圆角半径。

圆弧形光滑小试样如图2-34所示，其最小直径为7～10mm，试样的其他外形尺寸，因疲劳试验机不同而异，没有统一规定。

六﹑实验步骤

以M=Pa和I=代式（2-17），求得最小直径截面上的最大弯曲正应为： σ =

令K=，则上式可改写成

P=Kσ (2-18)

K称为加载乘数，它可根据试验机的尺寸a和试样的直径d_min事先算出，并制成表格。在试样的应力σ确定后，便可计算出应施加的载荷P。载荷中包括套筒﹑砝码盘和加力架的重量G，所以，应加砝码的重量实为

P^’=P-G=Kσ-G (2-19)

现将试验步骤简述如下：（1）测量试样最小直径d_min；（2）计算或查出K值；（3）根据确定的应力水平σ，由式（2.19）计算应加砝码的重量P^’;(4)将试样安装于套筒上，拧紧两根连接螺杆，使与试样成为一个整体；（5）连接挠性连轴节；（6）加上砝码；（7）开机前托起砝码，在运转平稳后，迅速无冲击地加上砝码，并将计数器调零；（8）试样断裂或记下寿命N，取下试样描绘疲劳破坏断口的特征。

实验时应注意的事项：（1）未装试样前禁止启动试验机，以免挠性连轴节甩出；（2）实验进行中如发现连接螺杆松动，应立即停机重新安装。

七﹑实验结果处理

1.     下列情况实验数据无效：载荷过高致试样弯曲变形过大，造成中途停机；断口有明显夹渣致使寿命偏低。

2.     将所得实验数据列表；然后以lgN为横坐标，σ_max为纵坐标，绘制光滑的S-N曲线，并确定σ_-1的大致数值。

3.     报告中绘出破坏断口，指出其特征。

 

第二篇：抗疲劳实验

陈皮的抗疲劳作用

实验目的：1、研究陈皮（晒干的柑橘皮）的抗疲劳作用；

2、提高同学们的创新思维和动手能力，增强同学们的学习兴趣。

实验原理：抗疲劳物质能提高机体的耐疲劳能力，运动耐力的提高是抗疲劳能力

加强最有力的宏观表现，游泳时间的长短可以反应动物运动疲劳的程度。

因此给小鼠进行抗疲劳物质灌胃，与对照组相比，其在自身运动

环境中（游泳试验）存活时间更长。

实验动物：成年雄性昆明种小鼠，体重18～22g。

实验器械和仪器、药品：陈皮水煎剂、灌胃器、生理盐水、计时表，游泳

箱(大小约50cm×50cm×40cm)，电子天平、铅皮。

试验方法和步骤：方法:根据剂量设置共设高、中、低、对照四个组，适量

的剂量作为高浓度剂量组，然后扩大10倍作为其

中一个剂量组，共组成高、中、低三个组。对照

组灌入等量的生理盐水。

步骤：1、取成年雄性昆明种小鼠40只，随机分成高、中、

低 、对照组四组，每组10只

2、高，中，低组按剂量比例灌胃给药（每次灌入

10ml），正常对照组则给予同等容积生理盐水，每

日2次，连续30d。

3、 末次给予受试物30min后，置小鼠在游泳箱

中游泳，水深不少于30cm，水温25℃±0.5℃，鼠尾根

部负荷5%体重的铅皮。记录小鼠自游泳开始至死亡的

时间，作为小鼠游泳时间(min)。

检测指标：小鼠在游泳箱中从游泳开始直至死亡时间。

预期结果：与对照组比较，高、中、低剂量三组的小鼠在游泳箱中的存活时

间高于对照组，且高剂量组会更加明显。

可行性分析： 1、据研究证明，陈皮水煎剂中有肾上腺素样的成分存

在，但较肾上腺素稳定，煮沸时不被破坏。因此

能发挥肾上腺素的兴奋作用。

2、人体受到异常的刺激，如剧痛、寒冷、缺氧、精神

强刺激，会引发抵御异常刺激的紧张状态。该状态伴

有一系列身体，包括交感神经兴奋、肾上腺髓质和皮

质激素分泌增多。肾上腺髓质所分泌的肾上腺素和去

甲肾上腺素是有酪氨酸转化而来，在次过程需要维生

素C的参与，而陈皮含有大量的维生素C。

3、陈皮属于碱性食物，其含有大量的有机酸在机体内

转化为碱性物质，可以中和疲劳机体内的乳酸，达

到抗疲劳的作用。

4、取材比较简便，操作也比较简单。

5、实验根据剂量分为高、中、低三组，又设计了对照可能遇到的问题：

2

3

组，比较有说服力。 、实验中的小鼠体质不一样，可能会造成误差; 、水温对小鼠的游泳时间有明显的影响，因此要求各组水温控制一致，以25℃为宜，如果过低可能引起小鼠痉挛，影响实验结果。但是实验过程中难以控制水温。 、铅皮缠绕过松或者过紧。 4、观察者不能保证整个实验过程中使每只小鼠四肢保持运动。 1