金属疲劳

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=maxmin （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σ1max，经历N1次循环后，发生疲劳失效，则N1称为最大应力为σ1max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。

σσσσ曲线图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=21Pɑ。“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dmin，最小截面边缘上一点的最大和最小应力为

金属疲劳极限

金属疲劳极限是指金属材料在连续循环加载下，经过一定次数的循环后发生断裂的最小应力或应变。它是金属材料在使用过程中的一个重要性能指标，对于保证金属材料的安全可靠性具有重要意义。

金属材料在使用过程中，常常会受到不同程度的力加载。在循环加载的作用下，金属材料内部会发生微观结构的变化，包括晶粒的滑移、位错的增多、晶界的开裂等。这些微观结构变化会导致金属材料的力学性能发生变化，最终导致金属材料的断裂。

金属疲劳极限的确定是通过实验来进行的。实验中，将金属试样置于循环加载的作用下，记录下应力或应变与循环次数的关系曲线。通过分析曲线的形状和变化趋势，可以确定金属疲劳极限的数值。

金属材料的疲劳寿命与其疲劳极限有密切关系。疲劳寿命是指金属材料在一定应力水平下能够承受的循环次数。当金属材料的应力小于疲劳极限时，金属材料的疲劳寿命较长；当金属材料的应力接近或超过疲劳极限时，金属材料的疲劳寿命会急剧下降。因此，在工程设计中，需要根据金属材料的疲劳极限来确定合理的应力水平，以保证金属材料的使用寿命。

金属疲劳极限的大小与金属材料的组织结构、应力水平、温度等因素有关。一般来说，晶粒尺寸较细、材料强度较高的金属材料其疲劳极限较高；而材料的强度越低，疲劳极限也会相应降低。此外，温度对金属材料的疲劳极限也有一定影响，通常情况下，温度升高会导致金属材料的疲劳极限降低。

在实际工程中，为了保证金属材料的安全可靠性，需要对金属材料的疲劳极限进行评估。评估疲劳极限的方法有很多种，常用的方法包括疲劳试验、数值模拟、统计分析等。通过这些方法可以对金属材料的疲劳极限进行预测和估计，从而指导工程实践中的设计和材料选择。

金属疲劳极限是金属材料在连续循环加载下发生断裂的最小应力或应变。它是金属材料在使用过程中的一个重要性能指标，对于保证金属材料的安全可靠性具有重要意义。在工程实践中，需要对金属材料的疲劳极限进行评估和预测，以保证工程设计的安全性。

金属疲劳例子

在机械工程领域中，金属疲劳是一个普遍存在的现象，它指的是当金属材料反复受到变形载荷作用时，会逐渐发生弹性变形和塑性变形，从而产生微小的裂纹，继而扩展增长，最终导致金属疲劳破裂。

以下是几个金属疲劳的例子：

1.飞机发动机叶片疲劳断裂。

飞机发动机的叶片由于长期处于高温和高频振动的环境下，经常受到疲劳载荷的作用，这使得叶片表面逐渐产生了许多微裂纹，最终导致叶片疲劳断裂。这个问题已经引起了航空公司和航空制造商的高度关注，他们通过采用更先进的材料、优化的设计和更精细的加工工艺来提高发动机叶片的耐久性。

2.汽车悬挂弹簧疲劳。

汽车悬挂弹簧类似于飞机发动机叶片，需要在经常受到变形载荷作用的情况下维持其正常运行。由于路面的不平坦和车辆行驶的颠簸，悬挂弹簧会产生较大的伸缩变形，这使得金属材料在受力作用下逐渐产生疲劳损伤，导致弹簧疲劳断裂。

3.建筑结构疲劳。

对于某些大型建筑（如天桥、高楼大厦等），由于其体型庞大且常受到强风、地震等力量的影响，随着时间的推移，建筑材料会逐渐产生疲劳损伤，这使得结构逐渐变弱，最终导致疲劳破裂事故的发生。为避免这类事故的发生，建筑师们会采用更高强度的材料，以及更为精细的设计和结构优化。 总之，金属疲劳是一种常见而危险的现象，它对于机械工程领域的发展和人类社会的进步带来了不小的挑战。为了保障人们的生命安全和财产安全，我们需要对金属疲劳进行深入研究，不断提高金属材料的耐久性和强度，以应对日益严峻的现实挑战。

一、产品用途：

FLPL金属疲劳试验机主要用于金属材料复合材料合金材料的耐久疲劳性能测定。配置FL高温炉系统可以试验高温疲劳的测试,配置FLWK高低温环境试验装置可以实现高低温疲劳性能的测定。

计算机控制系统疲劳试验软件基于WINDOWS操作系统作为平台，强大的数据处理功能，试验条件和试验结果自动存盘，显示、打印符合相关国家标准的随机成组试验数据、S-N试验曲线、试验报告，广泛适用于科研院所、冶金建筑、航空航天、大专院校、机械制造、交通运输等行业。

二、疲劳机技术参数：

1.试验机型号：FLPL504、FLPL105、FL305；

2.动态试验力：±25KN、±50KN、±250KN；

3.试验力精度：±2%；

4.试验力测量范围：1%--100%FS；

5.伺服作动器的最大位移：±50mm/75mm；

6.试验频率范围：0.1-50 Hz；

7.框架形式：双立柱距离：≥500mm；上下夹头拉伸空间：50～600 mm按要求订制；

8.控制系统：动态闭环疲劳伺服控制系统；

9.控制方式：力、位移、变形控制；

10. 试验波形：正弦波、方波、三角波、斜波、随机波形以及外部输入波形；可实现多段不同频率或幅值组合的正弦波形；用户可以自定义参数的随机波形等；

11.配置FL1200度高温炉、FLWK高低温试验箱、高温变形引伸计、高温疲劳试验夹具等实现复杂的动态力学性能测定；

12. 金属疲劳试验机控制系统设计有一套完善的智能化安全管理系统，能实时对试验系统进行巡回自检，实时判断、报告系统的工作状态和工作进程，具有自动监测、自动报警和自动停机功能；

13.试验控制软件FULETEST，在Windows 多种环境下运行，界面友好，操作简单，能完成试验条件、试样参数等设置、试验数据处理，试验数据能以多种文件格式保存，试验结束后可再现试验历程、回放试验数据，试验数据可导入在Word、Excel、Access、MATLAB等多种软件下，进行统计、编辑、分类、拟合试验曲线等操作，试验完成后，可打印出试验报告。