常用的金属材料疲劳极限试验方法

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σmax 或应力振幅σα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σR 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σR(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式中m——有效试验总次数；n—应力水平级数；—第i级应力水平；—第i级应力水平下的试验次数。

金属材料疲劳强度引言：金属材料在使用过程中经常会受到变形和应力的作用，长期使用后容易出现疲劳现象。

疲劳强度是评估材料在疲劳加载下的抗疲劳性能的重要指标。

本文将介绍金属材料疲劳强度的概念、影响因素以及测试方法。

一、疲劳强度的概念疲劳强度是指材料在循环加载下承受的最大应力，也称为疲劳极限。

其单位为MPa或N/mm²。

疲劳强度是金属材料的重要性能指标之一，对材料的使用寿命和可靠性有着重要影响。

二、影响因素1. 材料的组织结构：晶体结构的排列方式、晶粒大小和晶界的形态对疲劳强度有着显著影响。

晶粒越细小，晶界越强固，材料的疲劳强度越高。

2. 表面质量：表面缺陷如裂纹、划痕等会成为疲劳起始点，导致疲劳破坏的发生。

因此，良好的表面质量有助于提高疲劳强度。

3. 加工硬化：金属材料经过加工后，晶粒会细化，晶界也会变得更加强固，因此加工硬化能够提高材料的疲劳强度。

4. 温度：温度对金属材料的疲劳强度有一定影响。

一般情况下，随着温度的升高，材料的疲劳强度会降低。

5. 应力水平：应力水平是指材料在循环加载下所受到的应力大小。

较低的应力水平可以提高材料的疲劳强度。

三、测试方法1. S-N曲线法：该方法是目前应用最广泛的疲劳试验方法之一。

实验中通过不同应力水平下的循环加载，记录下材料的疲劳寿命，然后绘制S-N曲线，得出疲劳强度。

2. 破坏断口分析法：该方法通过观察材料的疲劳破坏断口来判断疲劳强度。

根据断口的形貌、特征来分析疲劳破坏的机制和强度。

3. 微观结构分析法：该方法通过显微镜、扫描电镜等工具对材料的微观结构进行观察和分析，进而推断疲劳强度。

结论：金属材料的疲劳强度是评估材料抗疲劳性能的重要指标。

疲劳强度受到多种因素的影响，如材料的组织结构、表面质量、加工硬化、温度和应力水平等。

为了准确评估材料的疲劳强度，可以采用S-N 曲线法、破坏断口分析法和微观结构分析法等测试方法。

通过研究和提高材料的疲劳强度，可以延长材料的使用寿命，提高产品的可靠性。

owens-wendt-rabel-kaelble法
Owens-Wendt-Rabel-Kaelble法是一种评估金属材料疲劳寿命的试验方法。

这种方法主要通过拉伸试验和疲劳试验来评估金属材料的疲劳性能。

以下是这种方法的主要步骤：
1. 拉伸试验：首先对金属材料进行拉伸试验，以确定材料的弹性极限、屈服强度、最大应力等性能参数。

2. 疲劳试验：在确定材料的拉伸性能后，进行疲劳试验。

疲劳试验主要包括两种类型：对称循环加载和非对称循环加载。

对称循环加载试验用于评估材料的疲劳极限，而非对称循环加载试验用于评估材料的疲劳寿命。

3. 数据处理：根据拉伸试验和疲劳试验的结果，计算材料的弹性模量、塑性应变、疲劳极限、疲劳寿命等性能指标。

4. 评估疲劳寿命：采用Owens-Wendt-Rabel-Kaelble法对疲劳寿命进行评估。

该方法考虑了材料的弹性模量、塑性应变、疲劳极限等因素，从而可以较为准确地预测金属材料的疲劳寿命。

5. 验证结果：通过与其他试验方法的结果进行对比，验证
Owens-Wendt-Rabel-Kaelble法的准确性和可靠性。

总之，Owens-Wendt-Rabel-Kaelble法是一种评估金属材料疲劳寿命的试验方法，通过拉伸试验和疲劳试验相结合，可以较为准确地预测金属材料的疲劳性能。

这种方法在工程领域具有广泛的应用价值，有助于确保金属结构在实际应用中的安全性和可靠性。

金属材料的疲劳极限标准1. 引言1.1 疲劳极限的定义疲劳极限是指金属材料在受到交变应力作用下所能承受的疲劳载荷的极限值。

疲劳极限与金属材料的抗疲劳性能密切相关，是评价金属材料抗疲劳性能的重要指标之一。

疲劳极限通常用应力水平表示，即在特定的应力幅值下，金属材料经过一定次数的循环载荷后出现裂纹和破坏的应力值。

疲劳极限是金属材料在实际工程中使用时需要考虑的重要参数，对于确保金属部件在长期使用过程中不会因为疲劳破坏而影响工作安全具有重要意义。

疲劳极限的测定需要进行大量的实验研究和数据分析，以确保结果的准确性和可靠性。

金属材料的疲劳极限还受到多种因素的影响，如材料的化学成分、热处理工艺、表面处理等，需要综合考虑这些因素才能准确评估金属材料的疲劳性能。

1.2 金属材料的疲劳极限金属材料的疲劳极限是指在连续循环加载下，金属材料所能承受的最大变形次数或载荷幅度。

对于金属材料来说，疲劳极限是一项至关重要的性能指标，它直接影响着材料在实际工程中的可靠性和安全性。

金属材料的疲劳极限可以通过实验测试来确定，通常采用旋转弯曲、拉伸、扭转等不同加载方式进行试验。

通过对金属材料进行疲劳测试，可以得到不同载荷条件下的疲劳曲线，从而确定材料的疲劳性能和疲劳寿命。

金属材料的疲劳极限受多种因素影响，包括材料的化学成分、晶粒结构、微观缺陷等。

对于不同类型的金属材料，其疲劳极限标准也有所不同，因此在工程设计和材料选择过程中，需要根据具体的应用要求来确定合适的金属材料及其疲劳极限要求。

疲劳极限的重要性在于可以帮助工程师评估材料的使用寿命和安全性，从而设计出更加可靠和耐久的工程结构。

研究金属材料的疲劳极限标准对于提高材料的抗疲劳性能和延长材料的使用寿命具有重要意义。

2. 正文2.1 金属材料的疲劳损伤金属材料在受到循环载荷作用时，会产生疲劳损伤。

这种损伤是由于金属内部的微观缺陷在受力的作用下逐渐扩展，最终导致材料的破坏。

疲劳损伤的形式主要有裂纹的扩展和表面损伤两种。

国内外金属材料低周疲劳试验标准对比《国内外金属材料低周疲劳试验标准对比》一、引言金属材料在工程领域中具有广泛的应用，而金属材料的疲劳性能一直是工程设计和材料研究的重要课题之一。

低周疲劳是指在较低应力下进行的疲劳试验，对于金属材料的使用寿命和安全性具有重要意义。

在国内外，针对金属材料低周疲劳性能的测试标准各有不同，本文将就国内外金属材料低周疲劳试验标准进行对比，以便于更全面地了解不同标准的优劣和适用范围。

二、国内金属材料低周疲劳试验标准概述1. GB/T 3077-2015《合金结构钢技术条件》GB/T 3077-2015是我国针对合金结构钢制定的技术条件标准，其中包括了对合金结构钢低周疲劳性能的测试方法和要求。

该标准以静载荷下的疲劳极限为评定指标，适用于常见的合金结构钢材料，但对于特殊合金材料的测试要求较为局限。

2. GB/T 25972-2010《金属材料低周疲劳试验方法》GB/T 25972-2010是我国金属材料低周疲劳试验方法的标准，对于金属材料在低周疲劳条件下的试验方法和评定要求做出了详细规定。

该标准涵盖了多种金属材料，但对于不同类型金属材料的测试方法和评定标准并不具体化，适用范围相对较窄。

三、国外金属材料低周疲劳试验标准概述1. ASTM E606-92《Standard Test Method for Strain-Controlled Fatigue Testing》ASTM E606-92是美国材料和试验协会制定的一项低周疲劳试验标准，该标准以应变控制的疲劳试验为基础，着重于金属材料在低周疲劳条件下的耐久性能测试。

相较于国内标准，ASTM E606-92更为全面和具体，对不同类型的金属材料和应变控制方式都有详细规定。

2. BS 3518-2018《Determination of low-cycle fatigue properties of metallic materials》BS 3518-2018是英国标准协会发布的一项关于金属材料低周疲劳性能测试的标准，覆盖了多种金属材料的低周疲劳性能测试方法和评定标准。

常见的⾦属材料⾼温疲劳-蠕变寿命估算⽅法在⼯程上，许多结构部件长期运⾏在⾼温条件下，如⽕⼒发电设备中的汽轮机、锅炉和主蒸汽管道，⽯油化⼯系统中的⾼温⾼压反应容器和管道，它们除了受到正常的⼯作应⼒外，还需承受其它的附加应⼒以及循环应⼒和快速较⼤范围内的温度波动等作⽤，因此其寿命往往受到蠕变、疲劳和蠕变-疲劳交互作⽤等多种机制的制约。

疲劳-蠕变交互作⽤是⾼温环境下承受循环载荷的设备失效的主要机理，其寿命预测对⾼温设备的选材、设计和安全评估有⼗分重⼤的意义，⼀直是⼯程界和学术界⽐较关⼼的问题，很多学者提出了相应的寿命预测模型。

本⽂对常见的寿命估算⽅法进⾏简单的介绍。

”寿命-时间分数法对于疲劳-蠕变交互作⽤的寿命估算问题主要采⽤线性累积损伤法，⼜叫寿命-时间分数法。

寿命时间分数法认为材料疲劳蠕变交互作⽤的损伤为疲劳损伤和蠕变损伤的线性累积，如下式所⽰：其中Nf为疲劳寿命，从ni为疲劳循环周次，tr为蠕变破坏时间，t为蠕变保持时间。

该⽅法将分别计算得到的疲劳损伤量和蠕变损伤量进⾏简单的相加，得到总的损伤量，计算⼗分简单，不过需要获得相应温度环境下纯蠕变和纯疲劳的试验数据。

由于该⽅法没有考虑疲劳和蠕变的交互作⽤，其计算结果和精度较差。

为了克服不⾜，提⾼计算精度，研究⼈员提出了多种改进形式。

例如谢锡善的修正式如下：Lagneborg提出的修正式如下：上述式⼦中，n为交互蠕变损伤指数，1/n为交互疲劳损伤指数，A、B为交互作⽤系数。

两个修正表达式均增加了交互项，可以⽤来调整累积损伤法的预测结果和实验结果之间误差，极⼤地提⾼了预测结果的可靠性。

频率修正法(FM法)及频率分离法(FS法)⽬前，⼯程上⼴泛使⽤的疲劳-蠕变寿命估算⽅法⼤多数都是基于应变控制模式的估算⽅法。

频率修正法是Coffin提出来的，认为低周疲劳中主要损伤是由塑性应变所引起的，Eckel在此基础上提出以下公式：式中：tf为破坏时间，K为依赖温度的材料常数，ϑ为频率，Δεp为塑性应变范围。

测定材料疲劳极限的方法测定材料疲劳极限的方法主要包括以下几种：1. 单点疲劳试验法：适用于金属材料构件在室温、高温或腐蚀空气中旋转弯曲载荷条件下的使用。

这种方法可以近似地确定疲劳曲线，并粗略估计试样数量有限时的疲劳极限。

试验所需的疲劳试验机一般为弯曲疲劳试验机和拉伸压力试验机。

2. 升降法疲劳试验法：在常规疲劳试验方法的基础上，获得金属材料或结构疲劳极限的疲劳强度，以获得金属材料或结构疲劳极限。

主要用于测定材料的随机的随机特性或结构疲劳强度。

所需的试验机通常是拉压疲劳试验机。

3. 高频振动疲劳试验方法：在常规疲劳试验中，交变载荷的频率一般低于200Hz，在高频环境下无法准确测量疲劳损伤无法准确测量。

在高频、低、低、高循环环环境下服用金属材料的疲劳性能研究中，利用试验设备产生的交变惯性力，具有1000Hz左右的循环载荷频率。

4. 超声疲劳试验法：超声疲劳试验是一种加速共振的疲劳试验方法，其试验频率（20kHz）远远超过常规疲劳试验频率（200Hz以下）。

在不同的环境和温度条件下，超声疲劳试验可以在不同的荷载特性下进行，这为疲劳研究提供了一个很好的方法。

超声疲劳试验一般用于超高周疲劳试验，主要针对10^9以上的周疲劳试验。

5. 技术疲劳试验红外热像方法：能量方法是研究疲劳试验的重要方法之一，可以缩短试验时间，降低试验成本。

金属材料的疲劳是一种能量消耗过程，温度变化是研究疲劳过程中能量消耗的重要参数。

红外热技术是一种波长转换技术，它将目标的热辐射转化为可见光技术，利用目标本身各部分热辐射的差异，利用计算机图像处理技术和红外测量温度校准技术，实现对物体表面温度领域分布的显示。

分析和精确的测量。

以上内容仅供参考，建议查阅专业书籍获取更全面和准确的信息。

金属材料的疲劳性能金属材料是工程中应用最广泛的一类材料，因其优良的力学性能、良好的加工性和广泛的适用性而受到青睐。

然而，在实际应用中，金属材料往往需要承受周期性的载荷，这种条件下的失效主要表现为疲劳破坏。

因此，了解金属材料的疲劳性能，对提高产品的可靠性与安全性具有至关重要的意义。

疲劳的基本概念疲劳是指材料在反复或交变载荷作用下，经过一定的循环次数后，出现的逐渐积累损伤并导致破坏的现象。

疲劳破坏通常是由微小的裂纹开始，在多次循环加载下逐步扩展，最终导致材料的断裂。

疲劳破坏与静态强度无直接关系，且其发生往往是在较低于材料屈服强度和抗拉强度的荷载下进行，表明这是一种特殊的破坏模式。

疲劳寿命疲劳寿命一般用于描述材料在特定载荷和环境条件下能承受多少次循环而不发生破坏。

通常我们用以下两个指标来表征疲劳寿命：循环次数（Nf）：这是指在出现疲劳破坏之前材料所能承受的加载循环次数。

疲劳极限（σf）：对于大多数金属材料，存在一个应力水平（称为疲劳极限），低于这个水平时材料即使经过无限次循环也不会发生疲劳破坏。

值得注意的是，并非所有金属都具有明显的疲劳极限，如铝合金等常见金属，其 fatigue limit 不易确定。

疲劳性能影响因素影响金属材料疲劳性能的因素包括但不限于以下几个方面：材料成分金属材料中的化学成分对其疲劳性能有明显影响。

例如，合金元素如镍、钼、铬等可以显著提高钢材的抗疲劳性能。

适当增加合金元素的比例，使得金属晶体结构更加稳定，从而提高了其疲劳强度。

此外，非金属杂质（如硫、磷等）的存在，则会降低材料的疲劳性能。

材料组织材料的微观组织结构直接决定了其机械性能。

在热处理过程中，通过控制冷却速度和温度，可以改变金属材料的相组成与晶粒尺寸，从而优化组织，提高疲劳性能。

例如，细化晶粒可以显著提高金属件的抗疲劳能力。

调质处理后的钢材，相较于退火状态下，会表现出更高的抗疲劳能力。

应力集中在实际使用中，构件往往因为几何形状的不均匀性（如凹坑、切口、焊缝等）而产生应力集中现象。

金属疲劳强度的常用指标
1. 疲劳极限：金属材料在循环加载下，能够承受的最大应力。

一般以应力振幅为横坐标，循环寿命为纵坐标，绘制S-N曲线来表示。

2. 疲劳寿命：金属材料在特定应力振幅下，能够承受的循环加载次数。

一般以应力振幅为横坐标，循环寿命为纵坐标，绘制S-N曲线来表示。

3. 疲劳强度：金属材料在特定应力振幅下，能够承受的循环加载次数。

一般以应力振幅为横坐标，疲劳强度为纵坐标，绘制S-N曲线来表示。

4. 稳定断裂韧性：金属材料在疲劳断裂之前所能吸收的最大塑性变形能量。

一般通过冲击试验或拉伸试验得到。

5. 破裂韧性：金属材料在疲劳前的临界应力状态下所能吸收的最大塑性变形能量。

一般通过冲击试验或拉伸试验得到。

以上指标常常用于评估金属材料在疲劳加载时的性能，并用于设计和验证工程结构的疲劳强度。

快速确定45钢疲劳极限的试验方
法
快速确定45钢疲劳极限的试验方法
1、实验原理：45钢受断裂疲劳时，其非比较程度的断裂行为与材料本身的物理性能有关，当断裂失效的极限负荷值达到一定值时，就会发生破坏。

因此，通过测定不同负荷水平下45钢在疲劳循环荷载作用下的破坏情况，从而确定45钢的疲劳极限值。

2、实验方法：
（1）准备实验样品：将45钢加工成试验标准样品，大小为φ50mm×100mm；
（2）安装实验样品：将试样剪切半截，依据国标《GB/T228.1-2011金属材料疲劳试验方法》规定，安装在疲劳试验机上，保证试样中心位置与轴心重合；
（3）确定试验参数：根据实验准备的样品尺寸和加载方式，确定试验参数，包括载荷水平、载荷方式、试验速度、循环次数等；
（4）实验过程：将样品连续循环加载，按照设定的载荷水平和载荷方式，每隔一定循环次数，检查一次样品是
否破坏，如果破坏，则立即停止试验，记录下所停止的循环次数；
（5）实验结果：根据实验结果，绘制45钢的疲劳曲线，求出45钢的疲劳极限值。

3、实验优点：
（1）快速确定：该试验方法综合利用45钢的物理性能，采用疲劳循环荷载的方法，可以快速确定45钢的疲劳极限值；
（2）精确性高：该试验方法可以准确反映45钢真实受力状态，结果更加准确，有助于更好地了解45钢的物理性能；
（3）受控性强：该试验方法控制因素多，可以控制45钢疲劳极限测定的温度、湿度、载荷方式等因素，使结果更加准确。

结论：通过快速确定45钢疲劳极限的试验方法，可以有效确定45钢的疲劳极限值，更好地了解45钢的物理性能，提高设计的准确性。