金属疲劳是指一种在交变应力作用下,金属材料发生破坏的现象。机械零件在交变压力作用下,经过一段时间后,
在局部高应力区形成微小裂纹,再由微小裂纹逐渐扩展以致断裂。疲劳破坏具有在时间上的突发性,
在位置上的局部性及对环境和缺陷的敏感性等特点,故疲劳破坏常不易被及时发现且易于造成事故。
应力幅值、平均应力大小和循环次数是影响金属疲劳的三个主要因素。
试验目的:评估材料在交变载荷下的抗疲劳性能,预测其在不同应力水平下的失效寿命(循环次数)。
制样及SN曲线测定
应力幅值(Stress, S)与失效循环次数(Number of cycles, N)的对数关系曲线,用于表征材料的疲劳特性。
标准试样:ASTM E466推荐哑铃型试样(减少应力集中)。
关键区域:工作段需抛光至Ra < 0.2 μm,避免表面缺陷引发早期裂纹。同一批次材料,避免成分偏析、热处理差异。
取样方向:各向异性材料需注明轧制方向(如铝合金板材)。
S-N曲线测定需结合严格试样制备、精准载荷控制及统计分析。实际操作中,建议:
每组应力水平至少3个试样,疲劳极限区域增加至10个;
定期校准载荷传感器和位移测量系统;
结合断口分析验证失效模式。
高应力区:选取3-5个应力水平,覆盖10^3-10^6次循环。
低应力区(近疲劳极限):需增加试样数量(如7-10组),采用“阶梯法”或“升降法”提高精度。
终止条件
常规终止:试样完全断裂。
Run-out(未断裂):通常设定为10^7次循环(钢)或5×10^7次(铝合金)。
检测标准
ASTM E466 轴向力控疲劳(室温) 明确要求载荷误差<±1%,频率稳定性<±2%
ISO 12107 统计分析方法 强制使用韦伯分布处理Run-out数据
GB/T 3075 旋转弯曲疲劳(中国国标) 规定试样转速误差<±3%,侧重农机零部件应用
JIS Z2279 高频疲劳(日本工业标准) 要求频率>50 Hz时需报告温升曲线