《机械设计》电子教材 编著 同济大学 李小江
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硬度HB 弯曲疲劳极限σF m i n /M P a b)正火处理的结构钢和铸钢 弯曲疲劳极限σF m i n /M P a 硬度HB a)铸铁 弯曲疲劳强度σF m i n /M P a c)调质处理的碳钢、合金钢及铸钢
渗碳淬火钢和表面硬化钢 弯曲疲劳极限σF M P a a
齿轮传动效率及齿轮疲劳实验 （附加机械功率、效率测试实验） 一.实验目的 1.了解封闭（闭式）齿轮实验机的结构特点和工作原理。 2.了解齿轮疲劳实验的过程，及通过实验测定齿轮疲劳曲线的方法。 3.在封闭齿轮实验机上测定齿轮的传动效率。 4.介绍机械功率、效率测定开式实验台，了解一般机械功率、效率的测试方法。 二.实验设备及工作原理 1.封闭（闭式）传动系统 封闭齿轮实验机具有2个完全相同的齿轮箱（悬挂齿轮箱7和定轴齿轮箱4）,每个齿轮箱内都有2个相同的齿轮相互啮合传动（齿轮9与V,齿轮5与5'）,两个实验齿轮箱之间山两根轴（一根是用于储能的弹性扭力轴6,另一根为万向节轴10）相联，组成一个封闭的齿轮传动系统。当山电动机1驱动该传动系统运转起来后，电动机传递给系统的功率被封闭在齿轮传动系统内，既两对齿轮相互自相传动，此时若在动态下脱开电动机，如果不存在各种摩擦力（这是不可能的），且不考虑搅油及其它能量损失，该齿轮传动系统将成为永动系统; 山于存在摩擦力及其它能量损耗，在系统运转起来后，为使系统连续运转下去, 山电动机继续提供系统能耗损失的能量，此时电动机输出的功率仅为系统传动功率的20%左右。对于实验时间较长的情况，封闭式实验机是有利于节能的。 1?悬挂电动机2.转矩传感器3.转速传感器4?定轴齿轮箱5?泄轴齿轮副6.弹性扭力 轴7.悬挂齿轮箱&加载狂码9.悬挂齿轮副10.万向节轴11.转速脉冲发生器2.电动机的输出功率
电动机1为直流调速电机，电动机转子与定轴齿轮箱输入轴相联，电动机 采用外壳悬挂支承结构（既电机外壳可绕支承轴线转动）；电动机的输出转矩等于电 动机转子与定子之间相互作用的电磁力矩，与电动机外壳（定子）相联的转矩传感器2提供的外力矩与作用于定子的电磁力矩相平衡，故转矩传感器测得的力矩即为电动机的输出转矩To；电动机转速为n,电动机输出功率为P u =n? To/9550 （KW）。3.封闭系统的加载 当实验台空载时，悬挂齿轮箱的杠杆通常处于水平位置，当加上载荷W 后，对悬挂齿轮箱作用一外加力矩WL,使悬挂齿轮箱产生一定角度的翻转，使两个齿轮箱内的两对齿轮的啮合齿面鼎紧，这时在弹性扭力轴内存在一扭矩T9 （方向与外加负载力矩WL相反），在万向节轴内同样存在一扭矩TJ （方向同样与外加力矩WL相反）；若断开扭力轴和万向节轴，取悬挂齿轮箱为隔离体, 可以看出两根轴内的扭矩之和（Tg+TJ）与外加负载力矩WL平衡（即T9+T9'=WL）；乂因两轴内的两个扭矩（T9和T9'）为同一个封闭环形传动链内的扭矩，故这两个扭矩相等（T9=T9*）,即2T9=WL, T9=WL/2 （Nm）；由此可以算出该封闭系统内传递的功率为： P9=T9 n / 9550=WLn/19100 （KW） 其中：n--电动机及封闭系统的转速（rpm）； W-所加祛码的重力（N）； L—加载杠杆（力臂）的长度，L= 0.3 mo 4.单对齿轮传动效率 设封闭齿轮传动系统的总传动效率为Q ; 封闭齿轮传动系统内传递的有用功率为P9； 封闭齿轮传动系统内的功率损耗（无用功率）等于电动机输出功率Po,即： Po=（ P9 / n）-P9 n=p9 / （Po+PJ 二T9/ （T0+T9） 若忽略轴承的效率，系统总效包也含两级齿轮的传动效率，故单级齿轮的传 动效率为：7=向=｛〒务 5.封闭功率流方向""
高温旋转弯曲疲劳试验机用于对黑色金属及其合金材料在室温及高温条件下进行小试样悬臂纯弯曲疲劳试验，测定金属圆形横截面试样在旋转状态下承受弯曲力矩时的疲劳性能。 高温旋转弯曲疲劳试验机Rotary bending fatigue testing machine 1 试验机介绍 馥勒高温旋转疲劳弯曲试验机由FL疲劳试验机架、交流高速电机及驱动器，测控系统、加载砝码、高温炉及控制器、高温试验夹具、润滑装置、保护装置等组成，用于对黑色金属及其合金材料在室温及高温条件下进行小试样悬臂纯弯曲疲劳试验，测定金属圆形横截面试样在旋转状态下承受弯曲力矩时的疲劳性能。 2 试验机方法 Q/FL-2019《材料疲劳试验方法》 3 试验标准方法 满足HB 5153-1996 金属高温旋转弯曲疲劳试验方法 HB 5152-1996 金属室温旋转弯曲疲劳试验方法 GB/T 4337-2008 金属材料疲劳试验旋转弯曲方法 JJG 652-2012 旋转弯曲疲劳试验机检定规程 4 主要技术规格参数 依据测试需求，选择相应的技术规格型号参数等 5 试验机规格型号 FLXPL25、FLXPL300
6 加载负荷 25N、300N 7 精度 ±0.1％ 8 加载力臂 214mm 9 旋转速度 1500r/min～10000r/min，无级调速10 转速波动度 ±0.5%FS 11 弯矩误差 ±1% 12 载荷精度误差 ±1% 13
加力点静态径向跳动量 0.01mm 14 加力点动态径向跳动量 0.05mm 15 高温范围 300度~1000℃ 16 试验夹具选择 专用高温试验夹具，采用弹性前后夹头夹持试样，夹头与主轴弹性筒夹连接，可实现精密配合 17 适用材料 金属材料、高温合金材料等 18 测试控制器 馥勒旋转弯曲测控控制器 19 馥勒疲劳机触控操作 配有触摸屏操作及显示面板用于完成所有控制参数的设置、所有测量数据的显示及所有的试验操作；配有与计算机通讯的网络接口，当配计算机时，可实现计算机对单台设备的测控或对多台设备的组网测控；试验周次可以任意设定，达到设定值可自动停机。 19
1. 齿轮接触强度计算 1.1齿轮接触的计算应力 βανεννπσK K K K u u bd F Z Z Z MPa E E R L F H A t E H red H 1)(11112 2 2121±?=-+-= 式中： A K —工况系数； νK —动载系数； αH K —接触强度的端面载荷分配系数； βK —齿向载荷分布系数； H Z —节点域系数； E Z —弹性系数； εZ 一重合度系数； 1.1.1 工况系数A K 由于齿轮的载荷特性为工作稳定状况下，故取工况系数为A K =1.0. 1.1.2 动载系数νK 由于 =15.96m/s 齿轮重合度 再根据《机械设计手册》图8-32与8.33得；
)=1.48-0.44(1.48-1.22)=1.36 1.1.3 端面载荷分配系数αH K 查表8-120得 21εαZ C K H H ? = 其中H C 查图8-34为0.865. 1.1.4 齿向载荷分布系数βK 查图8.35可得βK =1.13. 1.1.5 节点域系数H Z 式中：错误！未找到引用源。为端面分度圆压力角； 错误！未找到引用源。 为基圆螺旋角； 错误！未找到引用源。 为端面啮合角； 经计算最后得到H Z =2.254 1.1.6 弹性系数E Z 带入各值后，得E Z =189.87错误！未找到引用源。。 1.1.7 重合度系数εZ 与1.13的分母约去，不需考虑。
最后得到理论接触应力为： MPa Z mm mm N Z MPa H 67.124413 .11 865.036.11208.2208.3776.1572.7627.5265287.189254.2=???????? ??=ε εσ 1.2 接触疲劳极限lim H σ' W R V L N H H Z Z Z Z Z lim lim σσ=' 式中： 'H l i m σ表示计算齿轮的接触疲劳极限； Hlim σ表示试验齿轮的接触疲劳极限； N Z 表示接触强度的寿命系数； L Z 表示润滑剂系数； V Z 表示速度系数； R Z 表示光洁度系数； W Z 表示工作硬化系数。 1.2.1 试验齿轮的接触疲劳极限lim 1H σ 由手册中图8-38d 查得lim 2lim 1H H σσ==1690MPa 。 1.2.2 接触强度的寿命系数N Z 查表8-123得6 0102?=N ， nt N e γ60= 0N N e >，取121==N N Z Z 。 1.2.3 润滑剂系数L Z 取10050=υ，由图8-40查得21L L Z Z ==1. 1.2.4 速度系数V Z 由图8-41，按V=1米/秒和MPa H 1200lim >σ查得95.021==V V Z Z 。
影响钢丝绳弯曲疲劳试验的因素分析 张钫张平萍 （国家金属制品质量监督检验中心郑州450007） 摘要本文通过对钢丝绳弯曲疲劳机的选择，弯曲滑轮，试样弯曲频率、包角，张力等影响钢丝绳弯曲疲劳试验结论的几个重要因素进行了分析，根据质检中心日常试验过程中对钢丝绳弯曲疲劳试验方式的总结，建议用户进行钢丝绳弯曲疲劳试验时应模拟钢丝绳使用现场的情况。 关键词钢丝绳，弯曲疲劳试验机，GB/T12347-1996 The application of steel wire rope—Bending flatigue testing Zhang Fang Zhang Pinping (China National Steel Wire Products Quality Supervision & Testing Center zhengzhou 45 0007) Abstract The paper analysis the selection of the bending flatigue machine,be nding pulley, the frequency of sample bending , the angle of steel wire rope r evolving around the bending pulley, the tension of steel wire rope ect. These factors are important for the result of the steel wire rope—bending flatigue test ing. According to the test of steel wire rope—bending flatigue in our ordinary work,we pose the suggestion for user that the steel wire rope—bending flatigu e testing should simulate the scene of the steel wire rope using. Keywords steel wire rope, the machine of steel wire rope –Bending flating te sting, GB/T12347-1996 随着社会的发展和科技的进步，钢丝绳的使用场合越来越多。钢丝绳的弯曲疲劳寿命成为许多工程设计和使用人员关心的问题。我国现行的GB/T12347-1996规定了钢丝绳弯曲疲劳试验方法。它作为一种通用的钢丝绳弯曲疲劳试验方法的标准，并未完全包罗所有的钢丝绳弯曲疲劳类型，同一根钢丝绳的具体使用场合不同，使用的方式不相同，那么它的弯曲疲劳寿命也不相同。在实验室为了更加逼真的反映钢丝绳弯曲疲劳寿命，就要求我们的钢丝绳弯曲疲劳试验方法也不能完全按照GB/T12347-1996执行,应该在理解GB/T12347-1996的基础上加以应用。 钢丝绳广泛使用在煤矿，港口，航空，航天，汽车，摩托车等许多重要的场合。钢丝绳的疲劳试验如果完全按照现行的标准去实施，那么其试验结果将难以准确的反映应用情况。为此从以下几个方面进行讨论：
旋转纯弯曲疲劳试验机 测量结果的不确定度评定 1 概述 规程规定采用三等标准测力仪（配合专用检具使用）、千分尺来检定旋转纯弯曲疲劳试验机的弯矩。通过被检试验机弯矩值和标称值的相对误差，根据规程来判定被检试验机是否合格。因此，要对这个弯矩的相对误差进行不确定度评估。 1.1 检定方法 依据《旋转纯弯曲疲劳试验机》规程规定，为了方便描述，以下简称试验机。 1.2 环境条件 室温10℃～35℃，检定过程中环境温度变化不大于2℃/h 。 相对湿度不大于80%， 1.3 弯矩检定装置 弯矩检定装置为准确度等级不低于0.3级的标准测力仪（配合专业检具使用）、千分尺。 1.4 检定对象 《旋转纯弯曲疲劳试验机》规程适用的试验机。 2 弯矩测量结果的不确定度评定 2.1 数学模型 F L M = (1) 式中： M ——试验机弯矩值，单位为牛米（Nm ）； L ——试验机的力臂长度测量值，单位为（mm ） F ——试验力的测量值，单位为牛（N ） 。 按照不确定度传递率，M 的相对合成不确定度)(M u c 按公式（2）计算： 22))(())(()(F F u L L u M u crel += (2) 式中：)(M u crel ——试验机扭矩值的相对合成不确定度； )(L u ——力臂长度允许误差引起的标准不确定度分量； )(F u ——试验力测得值引起的标准不确定度分量； F ——标称力值； L ——标称力臂长度。 2.2 测量不确定度来源 2.2.1 由力臂长度允许误差引入的标准不确定度分量)(L u 的评定：
通过B 类方法进行评定，已知规程规定力臂长度的允许误差为±0.3%L ,半宽度为a=0.3%L ，估计其为正态分布。因此，由此引入的标准不确定度分量为L L L u %058.033%3.0)(== （3） 2.2.2 由试验力重复性引入的标准不确定度分量)(F u 的评定： 通过A 类方法进行评定，由于测量次数仅3次，所以采用极差法进行评定，当3=n 时，69.1=n d ，估计其为均匀分布，取3=k 。可得由试验力重复性引入的标准不确定度分量)(F u 为： F F F F u ?=-=342.03 69.1)(min max （4） 由于每次及每台试验机的力值测量重复性是不同的，但规程规定必须是在的(0～0.01)F 范围内。因此，公式（4）可以变换为下式： xF F F F u 342.03 69.1)(min max =-= （5） 式中：x ——重复性系数，0～0.01之间。 将公式（3）和（5）代人(2),得 ()()2 222342.000058.0342.000058.0)(x F xF L L M u crel +=??? ??+??? ??= （6） 分两种极端情况；得弯矩相对合成不确定度结果： 0=x 时 ()()% 058.000058 .0342.000058.0342.000058.0)(2222==+=?? ? ??+??? ??=x F xF L L M u crel 01.0=x 时 ()()% 35.0342.000058.0342.000058.0)(222 2=+=??? ??+??? ??=x F xF L L M u crel 实际日常检定工作中，006.0~002.0=x 左右，如果取中间数004.0=x 代人公式（6），弯矩的相对合成不确定度结果也只有：
齿轮疲劳试验数据多变的原因分析 Causes of Variability in Gear Fatigue Testing Gregory A.Fett and Michael A .Follis Dana Corporation ,Torque Traction Technologies Group 【摘要】 零件的疲劳试验数据变化很大，高强度表面渗碳硬化零件齿轮更是如此。长期的大量齿轮疲劳试验数据表明，在相同试验条件下，齿轮的高疲劳寿命与低疲劳寿命比较,比值可达9：1。本文介绍了一种系统分析方法，以确定引起齿轮疲劳试验数据多变的原因。本文主要通过准双曲面锥齿轮组的动态疲劳试验研究不同原因对疲劳试验影响的大小，每次试验间隔为6个月。研究结果表明动态试验设备、热处理、切齿以及齿轮用钢都会对疲劳试验寿命产生一定的影响。为了研究金相组织与疲劳试验寿命的联系，试验也对几种金相组织因素进行检查。 简介 齿轮疲劳试验数据会产生相当大的散差和变化。在过去30多年驱动桥和变速器工业生产中，测试时间跨度较长的大量试验结果表明，试件的高疲劳寿命VS低疲劳寿命的比值达到9：1是普遍的。这些试验数据都是在相同试验条件下，测试相同数量的试件得到的。如果试验测试涉及到多种材料因素，那么在任何给定的应力应变条件下，试验室样品的测试数据比值会有10：1或更大的差别。基于此种原因，人们很难甚至几乎不可能对两组不同的数据是否真的存在差别作出判断。 试验 设计本试验的目的是为了确定齿轮疲劳试验数据变化的潜在原因，并定量分析各种原因对试验数据变化的影响。试验采用的从动齿轮毛坯均取自同一钢锭，并经过相同的热处理，然后分为三类。部分毛坯在相同时间内完成切齿加工、渗碳热处理及后续加工，编号为A，动态试验时间间隔为6个月，目的是确定不同时间和试验设备会对试验数据产生多大的变化。部分齿轮编号为B，与A组试件在同一时间完成切齿加工，但不立即进行渗碳热处理，而是时间间隔6个月进行渗碳热处理及后续加工，然后与A组试件一同进行动态试验，除热处理外，其余工艺与A组试件的相同，目的是确定渗碳热处理对试验数据变化的影响。C 组齿轮试件分别完成毛坯准备和切齿加工、渗碳热处理以及后续加工等工序，时间间隔为6个月，与A组和B组试件一起进行动态试验，除切齿外，其余工艺基本与B组试件相同，目的是确定切齿对试验数据变化有多大的影响。最后，D 组试件是随机选择的现生产试件，时间间隔6个月，并与A、B、C组试件一起进行动态试验，选择的每批试件采用相同牌号的材料和热处理工艺，目的是研究包括渗碳用钢在内的多种原因的影响。为了确定其它因素是否会对试验结果产生影响，试验也对几组试验后的齿轮进行金相组织分析。 数据 表1中列出了试验的原始数据，每组试验有5个样品，其中有一组为原始基准试验，与A组一起进行，间隔6个月后，则进行一轮A、B、C、D组齿轮试验。每组齿轮的试验随机安排，间隔为6个月，以保证试验数据的客观性。表1中前两组数据是在同一试验机上进行，三、四组数据分别在两个不同试验机上进
钢丝绳弯曲疲劳试验作业指导书 进行钢丝绳弯曲疲劳试验检测必须以GB/T12347-2008等现行有效标准及相关标准和现行有效的《煤矿安全规程》等为依据。 1、接样： 1.1办公室负责对客户新近批量订购到货的钢丝绳接受委托检验。 1.2接样时请客户出具出厂证明书、订货合同、提货单等资料、并填写 本中心/站申请书。 2、试样要求 2.1 试样应从外观检查合格的钢丝绳上截取。 2.2钢丝绳直径20~26.5mm的试样最小长度为2倍轮距+圆周长=12.5m, 钢丝绳直径26.5~32.5mm的试样最小长度为15.5m，若为绳卡固定， 还要加上卡绳段长度。由于需要留备样长度，20~26.5mm的试样长 度需26m, 直径为26.5~32.5mm的试样长度需32m。 2.3 试样两端在截取之前应用软金属丝或专用夹头固紧。 3、备样 3.1 对客户的钢丝绳送检、报验样品进行登记、编号、标识。 3.2对钢丝绳进行外观检查，新绳要注意压痕、跳丝、松散、露麻等主要 缺陷，旧绳要注意磨损、断丝、锈蚀、绳芯干硬糟烂等主要情况，并 记录在案。 3.3依据钢丝绳直径和标准中的规定截取钢丝绳长度，直径为20-26.5mm 的钢丝绳截取13m，直径为26.5-32.5mm的钢丝绳截取16m。 3.4对剩余样的剩余部分在编号、标识后存贮保管，期限为检验检测周期。 3.5 实验前，应用沾有煤油或其他溶剂的棉纱将试样表面的油污擦掉,但 允许钢丝绳股间存在少量油脂。 4、试验机 4.1钢丝绳弯曲疲劳试验是钢丝绳试样以一定的包角绕过试验轮，并对其 施加张力，以一定的频率反复弯曲，考核钢丝绳承受弯曲疲劳的性能。 4.2根据最新《钢丝绳弯曲疲劳试验方法》进行钢丝绳弯曲疲劳检测。 4.3选用的弯曲疲劳试验机应该是“绿色”标识且在检定周期内的试验机。
金属疲劳试验主讲教师:
一、实验目的 1. 了解疲劳试验的基本原理。 2. 掌握疲劳极限、S-N曲线的测试方 法。
二、实验原理 1．疲劳抗力指标的意义 目前评定金属材料疲劳性能的基本方法就是通过试验测定其S-N曲线(疲劳曲线)，即建立 最大应力σ max 或应力振幅σ α 与其相应的断裂 循环周次N之间的关系曲线。不同金属材料的S-N曲线形状是不同的，大致可以分为两类，如图1所示。其中一类曲线从某应力水平以下开始出现明显的水平部分，如图1(a)所示。这表明当所加交变应力降低到这个水平数值时，试样可承受无限次应力循环而不断裂。
这表明当所加交变应力降低到这个水平数值时，试样可承受无限次应力循环而不断裂。因此将水平部分所对应的应力称之为金属的疲劳极限，用符号σ R 表示(R为最小应力与最大应力之比，称为应力比)。若试验在对称循环应力(即R=-1)下进行，则其疲劳 极限以σ -1表示。中低强度结构钢、铸铁等材料的S- N曲线属于这一类。对这一类材料在测试其疲劳极限时，不可能做到无限次应力循环，而试验表明，这类材料在交变应力作用下，如果应力循环达到107周次不断裂，则表明它可承受无限次应力循环也不会断裂，所以对这类材料常用107周次作为测定疲劳极限的基数。另一类疲劳曲线没有水平部分，其特点是随应力降低，循环周次N不断增大，但不存在无限寿命。如图1(b)所示。在这种情况下，常根据实际需要定出一定循环周次(108或5×107…)下所对应的应力作为金属材料的“条件疲劳极限”，用符号σ R(N) 表示。
2．S-N 曲线的测定 (1) 条件疲劳极限的测定 测试条件疲劳极限采用升降法，试件取13根以上。每级应力增量取预计疲劳极限的5％以内。第一根试件的试验应力水平略高于预计疲劳极限。根据上根试件的试验结果，是失效还是通过（即达到循环基数不破坏）来决定下根试件应力增量是减还是增，失效则减，通过则增。直到全部试件做完。第一次出现相反结果（失效和通过，或通过和失效）以前的试验数据，如在以后试验数据波动范围之外，则予以舍弃；否则，作为有效数据，连同其他数据加以利用，按下列公式计算疲劳极限： ()11n R N i i i v m σσ==∑ 1
收藏【技术类】 金属疲劳断口的宏现形状特征 (2011-1-21 13:38:36) 疲劳断口保留了整个断裂过程的所有痕迹，记录了很多断裂信息。具有明显区别于其他任何性质断裂的断口形貌特征，而这些特征又受材料性质、应力状态、应力大小及环境因素的影响，因此对疲劳断口分析是研究疲劳过程、分析疲劳失效原因的重要方法。 一个典型的疲劳断口往往由疲劳裂纹源区、疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区三个部分组成，具有典型的“贝壳”状或“海滩”状条纹的特征，这种特征给疲劳失效的鉴别工作带来了极大的帮助。 1、疲劳裂纹源区 疲劳裂纹源区是疲劳裂纹萌生的策源地，是疲劳破坏的起点，多处于机件的表面，源区的断口形貌多数情况下比较平坦、光亮，且呈半圆形或半椭圆形。因为裂纹在源区内的扩展速率缓慢，裂纹表面受反复挤压、摩擦次数多，所以其断口较其他两个区更为平坦，比较光亮。在整个断口上与其他两个区相比，疲劳裂纹源区所占的面积最小。 当表面承受足够高的残余压应力或材料内部存在严重的冶金缺陷时，裂纹源则向次表面或机件内部移动。有时在疲劳断口上也会出现多个裂纹源，每个源区所占面积往往比单个源区小，源区断口特征不一定都具有像单个源区那样典型的形貌。裂纹源的数目取决于材料的性质、机件的应力状态以及交变载荷状况等。通常，应力集中系数越大，名义应力越高，出现疲劳源的数目就越多，如低周疲劳断口上常有几个位于不同位置的疲劳裂纹源区。 当零件表面存在某类裂纹时，则零件无疲劳裂纹萌生期，疲劳裂纹在交变载荷作用下直接由该类裂纹根部向纵深扩展，这时断口上不再出现疲劳源区，只有裂纹扩展区和瞬时断裂区。 2、疲劳裂纹扩展区 疲劳裂纹扩展区是疲劳裂纹形成后裂纹慢速扩展形成的区域，该区是判断疲劳断裂的最重要特征区域，其基本特征是呈现贝壳花样或海滩花样，它是以疲劳源区为中心，与裂纹扩展方向相垂直的呈半圆形或扇形的弧形线，又称疲劳弧线。疲劳弧线是裂纹扩展过程中，其顶端的应力大小或状态发生变化时，在断裂面上留下的塑性变形的痕迹。 贝纹花样是由载荷变动引起的，因为机器运转时不可避免地常有启动、停歇、偶然过载等，均可留下塑性变形的痕迹一贝纹线（疲劳弧线）。贝纹线的清晰度不仅与材料的性质有关，而且与介质情况、温度条件等有关，材料的塑性好、温度高、有腐蚀介质存在时，则弧线清晰。所以，这种弧线特征总是出现在实际机件的疲劳断口中，而在实验室的试件疲劳断口中很难看到明显的贝纹线，此时疲劳断口表面由于多次反复压缩而摩擦，使该区变得光滑，呈细晶状，有时甚至光洁得像瓷质状结构。一般贝纹线常见于低应力高周疲劳断口中，而低周疲劳以及许多高强度钢、灰铸铁中观察不到此种贝纹状的推进线。 贝纹线与裂纹扩展方向垂直，它可以是绕着裂纹源向外凸起的弧线，表示裂纹沿表面扩展较慢，即材料对缺口不敏感，例如低碳钢；相反，若围绕裂纹
齿轮接触疲劳强度试验方法（GB/T14229-93） 1主题内容与适用范围 本标准规定了测定渐开线圆柱齿轮接触疲劳强度的试验方法，以确定齿轮接触承载能力所需的基础数据。 本标准适用于钢、铸铁制造的渐开线圆柱齿轮由齿面点蚀损伤而失效的试验。其它金属齿轮的接触疲劳强度试验可参照使用。 4试验方法 确定齿轮接触疲劳强度应在齿轮试验机上进行试验齿轮的负荷运转试验。当齿面出现接触疲劳失效或齿面应力循环次数达到规定的循环基数N。而未失效时（以下简称“越出”），试验终止并获得齿面在试验应力下的一个寿命数据。当试验齿轮及试验过程均无异常时，通常将该数据称为“试验点”。根据不同的试验目的，选择小列不同的试验点的组合，经试验数据的统计处理，确定试验齿轮的接触疲劳特性曲线及接触疲劳极限应力。 4.1常规成组法 常规成组法用于测定试验齿轮的可靠度-应力-寿命曲线（即R-S-N曲线），求出试验齿轮的接触疲劳极限应力。 试验时取4～5个应力级，每个应力级不少于5个试验点（不包括越出点）。最高应力有中的各试验点的齿面应力循环次数不少于1×106。最高应力级与次高应力级的应力间隔为总试验应力范围的40%～50%，随着应力的降低，应力间隔逐渐减少。最低应力级至少有一个试验点越出。 4.2少试验点组合法 少试验点组合法通常用于测定S-N曲线或仅测定极限应力。 试验时试验点总数为7～16个。测定S-N曲线时，应力级为4～10个，每个应力级取1～4个试验点。 测定极限应力时可采用升降法。 采用正交法进行对比试验时，每个对比因素至少有3个试验点。 5试验条件及试验齿轮 5.1齿轮接触疲劳强度试验按下述规定的试验条件和试验齿轮进行（对比试验的研究对象除外），上此可确定试验齿轮的接触疲劳极限应力σHlim。
疲劳试验（fatigue test）利用金属试样或模拟机件在各种环境下，经受交变载荷循环作用而测定其疲劳性能判据，并研究其断裂过程的试验，即为金属疲劳试验。 1829年德国人阿尔贝特(J.Albert)为解决矿山卷扬机服役过程中钢索经常发生突然断裂，首先以10次/分的频率进行疲劳试验。1852～1869年德国人沃勒(A.W hler)为研究机车车辆,开始以15次／分的频率对车辆部件进行拉伸疲劳试验，以后又用试样以72次/分的频率在旋转弯曲疲劳试验机进行旋转弯曲疲劳试验，他的功绩是指出一些金属存在疲劳极限，并将疲劳试验结果绘成应力与循环周次关系的S-N曲线（图1），又称为W hler曲线。1849年英国人古德曼(J.Goodman)首先考虑了平均应力不为零时非对称载荷下的疲劳问题，并提出耐久图，为金属制件的寿命估算和安全可靠服役奠定理论基础。1946年德国人魏布尔(W.Weibull)对大量疲劳试验数据进行统计分析研究，提出对数疲劳寿命一般符合正态分布（高斯分布），阐明疲劳测试技术中应采用数理统计。 60年代初，从断裂力学观点分析金属疲劳问题，进一步扩大了疲劳研究内容。近年来，由于电液伺服闭环控制疲劳试验机的出现以及近代无损检验技术、现代化仪器仪表等新技术的采用，促进了金属疲劳测试技术的发展。今后应着重各种不同条件(特别是接近服役条件)下金属及其制件的疲劳测试技术的研究。 试验种类和判据 金属疲劳试验种类很多，通常可分为高周疲劳、低周疲劳、热疲劳、冲击疲劳、腐蚀疲劳、接触疲劳、声致疲劳、真空疲劳、高温疲劳、常温疲劳、低温疲劳、旋转弯曲疲劳、平面弯曲疲劳、轴向加载疲劳、扭转疲劳、复合应力疲劳等。应根据金属制件的服役（工作）条件来选择适宜的疲劳试验方法，测试条件要尽量接近服役条件。进行金属疲劳试验的目的在于测定金属的疲劳强度（抗力），由于试验条件不同，表征金属疲劳强度的判据（指标）也不一样。 高周疲劳：高周疲劳时，金属疲劳强度判据是疲劳极限(或条件疲劳极限)即金属经受“无限”多次(或规定周次)应力循环而不断裂的最大应力，以σr表示，其中γ为应力比，即循环中
nCode 疲劳耐久性工程高级培训班课程 实用疲劳理论 实用疲劳理论 ?材料的物理性能 ?疲劳载荷 ?应力寿命（S-N）法 ?局部应变法（e-N） 1?2007 nCode 什么是金属疲劳？ What is Fatigue?
Quiz 1: ?How can you break a metal spoon? Quiz 2: ?How can you break a ceramic spoon? Quiz 3: ?Why a metal spoon can be broken, and a ceramic spoon cannot?
金属疲劳失效的原因是什么？ ?外因：载荷的变化 ?内因：金属中有位错 什么是金属疲劳？ ?疲劳是一种机械损伤过程， 在这一过程中即使名义应力 低于材料的屈服强度，载荷 的反复变化也将引起失效 ?疲劳一般包含裂纹萌生和随 后的裂纹扩展两个过程，循 环塑性变形是金属产生疲劳 的主要原因 什么是金属疲劳？ Quiz 4: ?Can you name a metal fatigue failure you experienced?
飞机空难(The De Havilland Comet Story) ?The first passenger jet airliner (1949 -1980) ?Suffered two tragic air accidents due to fatigue failure ?68 people killed as a result ?Order books fell by 50 aircraft ?Ultimately heralded the collapse of the British civil aircraft industry 火车出轨 汽车零部件失效 ?Truck frame ?Manifold ?Bracket ?Crankshaft ?Brake ?Exhaust pipe ?Wheel ?…
铝合金疲劳实验 李慕姚 1351626 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=m ax m in σσ （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σ1 m ax ，经历N 1次循环后，发生疲劳失效，则N 1称为最大应力为σ1m ax 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σmax 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σr 时，S-N 曲线趋近于水平线。即应力不超过σr 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σr 。而把N 0=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N 0,例如取N 0=108,把它对应的最大应力作为“条件”持久极限。
图２-31 疲劳试验曲线图 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σmax ，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=21 P ɑ。“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 max σ＝I Md 2min ， min σ＝-I Md 2min (2-17) 式中I=64π d 4 m in 。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﹑实验步骤 （1）测量试样最小直径d min ； （2）计算或查出K 值；
超高频强度钢的疲劳断裂行为 J. Mater. Sci. Technol., Vol.24 No.5, 2008 1)国家重点实验室的先进加工钢材和产品,北京100081,中国 2)国家工程研究中心,北京100081钢铁技术先进,中国 3),燕山大学,秦皇岛，中国 (4)对金属的中国社会,北京100711,中国 疲劳断裂行为的超高强度钢与不同熔化过程，研究了夹杂物尺寸不同通过用在旋转弯曲疲劳机上多达107循环加载。观察骨折面发射扫描电子显微镜(FESEM)。当它被发现时已经尺寸的夹杂物对疲劳行为未清除。对钢在AISI 4340夹杂物尺寸小于5.5微米，所有的疲劳裂纹除的确做到了包含但不引发的地表和传统从标本的s - n曲线的存在。对65Si2MnWE在100和Aermet钢平均12.2和14.9米，疲劳裂纹在较低的夹杂物引发的s - n曲线应力幅值和逐步进行观测。弯曲疲劳 强度的s - n曲线显示一个不断下降和疲劳失效的大型氧化物夹杂源于对 60Si2CrVA钢平均夹杂物的尺寸44.4米。在案件的内部骨折在周期超越约1×106 65Si2MnWE和60Si2CrVA钢、夹杂物sh-eye经常发现里面和颗粒状明亮的方面(GBF)进行了观察附近约夹杂。GBF尺寸的增加这个循环数的增加对失败的长寿命的政权。结构应力强度因子的价值范围内裂纹萌生施工现场对GBF与Nf几乎不变，几乎是相等的表面夹杂物和内部包含在周期低于约1×106。既不sh-eye GBF。也没有观察到100 Aermet钢在目前的研究中。 关键词:High-cycle超高强度钢疲劳，夹杂物s - n曲线，鱼眼骨折1、介绍 High-cycle疲劳(HCF)失败是普通的实用的建筑工程项目的土石方作业。因此，广泛的研究已进行多年了令人满意的理解和解决方案尚未达成。众所周知，有一个很好的旋转弯曲疲劳强度之间的关系，如光滑的标本和抗拉强度、维氏硬度、高压、或低或中等强度。对于低或中等强度钢如下 σw ≈ 0.5Rm σw ≈ 1.6HV （1） 在这种情况下，从疲劳裂纹倾向于表面，因此被称为表面的结构。然而,在较高的拉伸强度范围或维氏硬度、线性相关性没发生，有了更多的散射或甚至星体疲劳强度值。疲劳断裂的起源的高强度钢的表面并不总是，但经常还有一定距离 尤其是forhigh-cycle疲劳,因此被称为内部断裂。断裂表面经常展现一个小光滑斑裂纹起源，这是通常的一个叫做“sh-eye”。预防sh-eye肯定会提高骨折的疲劳性能的高强度钢。高强度钢鱼眼骨折来源于内部缺陷，一般多夹杂物[1 - 4、
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。 图２-30 疲劳试样断口示意图
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=m ax m in σσ （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 1m ax ，经历N 1次循环后，发生疲劳失效，则N 1称为最大应力为σ1 m ax 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σmax 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σr 时，S-N 曲线趋近于水平线。即应力不超过σr 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σr 。而把N 0=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N 0,例如取N 0=108,把它对应的最大应力作为“条件”持久极限。
一、旋转弯曲疲劳试验机简介： 馥勒FLPLX系列旋转弯曲疲劳试验机主要用于对金属及合金材料在室温条件下进行反复交变弯曲应力作用下的弯曲疲劳试验，测定金属圆形横截面试样在旋转状态下承受弯曲力矩时的疲劳性能。满足GB/T4337-2008《金属材料疲劳试验旋转弯曲方法》、ISO 1143：2010《metallic materials-Rotating bar bending fatigue testing》、、BS EN 13261:2009《Railway applications-Wheelsets and bogies-Axles-Product requirements》等试验标准方法。 二、疲劳试验机主要技术规格： 1、旋转速度：1000r/min～5000r/min 2、转速波动度：≤±0.5%FS 3、加力点径向跳动量：跳动量≤0.05mm 4、加载方式：组合砝码加载载荷350N 5、加载砝码系列质量：350N，精度≤+/-1% 6、弯曲应力800-900MPa,弯矩相对误差≤±1% 7、疲劳次数显示：≥100000000 8、试样装夹方式：高速精密弹性夹具 9、试样夹持端形式：圆形；试样夹持端直径范围Φ10mm-Φ20mm 10、适用试样直径规格Φ6mm、Φ7.5mm、Φ9.5mm 11、配置高速主轴箱，高精度进口轴承，具有完善的润滑及冷却装置，适用于在承受旋转弯矩条件下长期高速驱动试样旋转 12、安全防护：系统具有断电、驱动马达及主轴箱过热、试验次数到达设定值、试样断裂等停机或报警保护功能 13、系统检验：设备出厂前对系统进行检验、操作和标定 14、安装调试及培训：服务工程师在用户现场进行安装和功能调试并对用户提供培训。
疲劳强度设计 对承受循环应力的零件和构件，根据疲劳强度理论和疲劳试验数据，决定其合理的结构和尺寸的机械设计方法。机械零件和构件对疲劳破坏的抗力，称为零件和构件的疲劳强度。疲劳强度由零件的局部应力状态和该处的材料性能确定，所以疲劳强度设计是以零件最弱区为依据的。通过改进零件的形状以降低峰值应力，或在最弱区的表面层采用强化工艺，就能显著地提高其疲劳强度。在材料的疲劳现象未被认识之前，机械设计只考虑静强度，而不考虑应力变化对零件寿命的影响。这样设计出来的机械产品经常在运行一段时期后，经过一定次数的应力变化循环而产生疲劳，致使突然发生脆性断裂，造成灾难性事故。应用疲劳强度设计能保证机械在给定的寿命内安全运行。疲劳强度设计方法有常规疲劳强度设计、损伤容限设计和疲劳强度可靠性设计。 简史19世纪40年代，随着铁路的发展，机车车轴的疲劳破坏成为非常严重的问题。1867年，德国A.沃勒在巴黎博览会上展出了他用旋转弯曲试验获得车轴疲劳试验结果，把疲劳与应力联系起来，提出了疲劳极限的概念，为常规疲劳设计奠定了基础。 20世纪40年代以前的常规疲劳强度设计只考虑无限寿命设计。第二次世界大战中及战后，通过对当时发生的许多疲劳破坏事故的调查分析，逐渐形成了现代的常规疲劳强度设计，它非但提高了无限寿命设计的计算精确度,而且可以按给定的有限寿命来设计零件,有限寿命设计的理论基础是线性损伤积累理论。早在1924年，德国 A.帕姆格伦在估算滚动轴承寿命时，曾假定轴承材料受到的疲劳损伤的积累与轴承转动次数（等于载荷的循环次数）成线性关系，即两者之间的关系可以用一次方程式来表示。1945年，美国M.A.迈因纳根据更多的资料和数据,明确提出了线性损伤积累理论，也称帕姆格伦-迈因纳定理。 随着断裂力学的发展，美国A.K.黑德于1953年提出了疲劳裂纹扩展的理论。1957年，美国P.C.帕里斯提出了疲劳裂纹扩展速率的半经验公式。1967年，美国R.G.福尔曼等又对此提出考虑平均应力影响的修正公式。这些工作使人们有可能计算带裂纹零件的剩余寿命，并加以具体应用，形成了损伤容限设计。 用概率统计方法处理疲劳试验数据，是20世纪20年代开始的。60年代后期，可靠性设计从电子产品发展到机械产品，于是在航天、航空工业的先导下，开始了可靠性理论在疲劳强度设计中的应用。 1961年联邦德国H.诺伊贝尔提出的关于缺口件中名义应力-应变与局部应力-应变之间的关系，称为诺伊贝尔公式。1968年加拿大R.M.韦策尔在诺伊贝尔公式的基础上，提出了估算零件裂纹形成寿命的方法，即局部应力-应变法，在疲劳强度设计中得到了应用和发展。 常规疲劳强度设计假设材料没有初始裂纹，经过一定的应力循环后，由于疲劳损伤的积累，才形成裂纹，裂纹在应力循环下继续扩展，直至发生全截面脆性断裂。裂纹形成前的应力循环数，称为无裂纹寿命；裂纹形成后直到疲劳断裂的应力循环数，称为裂纹扩展寿命。零件总寿命为两者之和。 根据零件所用材料的试样的疲劳试验结果，以最大应力为纵坐标、以达到疲劳破坏的循环数N为横坐标，画出一组试样在某一循环特征下的应力-