S-N曲线与材料的疲劳极限

金属的S-N曲线是指材料在循环载荷下的应力-应变曲线。

这个曲线可以用来描述材料在不同应力水平下的疲劳寿命。

金属的S-N曲线标准通常由国际标准化组织（ISO）或美国材料与试验协会（ASTM）等机构制定。

ISO标准中，金属的S-N曲线通常采用对数-对数坐标系绘制，横轴表示应力的对数值（log(σ))，纵轴表示相应的疲劳寿命对数值（log(N))。

在这个坐标系中，S-N曲线通常是一条过原点的直线，称为“主曲线”（master curve）。

主曲线是通过对大量试样进行疲劳试验得到的，可以反映出材料的疲劳性能和疲劳寿命的规律性。

除了主曲线，S-N曲线还包括一些辅助曲线，如“疲劳极限曲线”（fatigue limit curve）和“疲劳裂纹扩展曲线”（fatigue crack propagation curve）。

疲劳极限曲线是指材料能够承受的最大应力水平，当应力超过这个水平时，材料就会发生断裂；疲劳裂纹扩展曲线则是指材料在一定应力水平下，随着循环次数的增加，裂纹扩展的规律性。

总之，金属的S-N曲线标准是材料疲劳性能研究的基础，对于材料的设计和应用具有重要意义。

材料的S-N曲线与基本术语一般情况下，材料所承受的循环载荷的应力幅越小，到发生疲劳破断时所经历的应力循环次数越长。

S-N曲线就是材料所承受的应力幅水平与该应力幅下发生疲劳破坏时所经历的应力循环次数的关系曲线。

S-N曲线一般是使用标准试样进行疲劳试验获得的。

如图1所示，纵坐标表示试样承受的应力幅，有时也表示为最大应力，但二者一般都用σ表示；横坐标表示应力循环次数，常用Nf表示。

为使用方便，在双对数坐标系下S-N曲线被近似简化成两条直线。

但也有很多情况只对横坐标取对数，此时也常把S-N曲线近似简化成两条直线。

S-N曲线中的水平直线部分对应的应力水平就是材料的疲劳极限，其原意为材料经受无数次应力循环都不发生破坏的应力极限，对钢铁材料此“无限”的定义一般为107次应力循环。

但现代高速疲劳试验机的研究成果表明，即使应力循环次数超过107材料仍然有可能发生疲劳断裂。

不过107次的应力循环次数，对于实际的工程中的疲劳强度设计已经完全能够满足需要。

疲劳极限又称持久极限，对于无缺口的光滑试样，多用σw0表示，而应力比R=-1时的疲劳极限常用σ-1来表示。

某些不锈钢和有色金属的S-N中没有水平直线部分，此时的疲劳极限都一般定义为108次应力循环下对应的应力幅水平。

疲劳极限是材料抗疲劳能力的重要性能指标，也是进行疲劳强度的无限寿命设计的主要依据。

斜线部分给出了试样承受的应力幅水平与发生疲劳破断时所经历的应力循环次数之间的关系，多用如幂函数的形式表示。

式中σ为应力幅或最大应力，N为达到疲劳破断时的应力循环次数，m，C材料常数。

如果给定一个应力循环次数，便可由上式求出或由斜线量出材料在该条件下所能承受的最大应力幅水平。

反之，也可以由一定的工作应力幅求出对应的疲劳寿命。

因为此时试样或材料所能承受的应力幅水平是与给定的应力循环次数相关联的，所以称之为条件疲劳极限，或称为疲劳强度。

斜线部分是零部件疲劳强度的有限寿命设计或疲劳寿命计算的主要依据。

S-N曲线是一种用于描述材料在重复加载下疲劳寿命的图形工具，它表示了材料在断裂之前能够承受的载荷变化总和。

该曲线通常通过高周疲劳试验获得，这种试验是在恒定振幅下施加载荷。

S-N曲线分为低周疲劳K、有限寿命疲劳Z和高周疲劳D这几个区域。

同时，抗拉强度是决定材料S-N曲线的关键参数之一。

对于相同类型的钢铁材料，其疲劳强度系数会随着抗拉强度的变化而变化。

此外，SN曲线在极限疲劳强度之上的区域，也称为斜率区域，通常会呈现一个斜率较大的下降趋势，这个区域内，材料的循环寿命随着应力幅值的增加而逐渐减少。

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。

6061铝合金疲劳极限1. 引言疲劳极限是指材料在受到交变应力作用下，经过一定次数的循环加载后，发生破坏的最大应力水平。

6061铝合金是一种常见的铝合金材料，具有良好的强度和耐腐蚀性能，在航空航天、汽车制造和结构工程等领域得到广泛应用。

本文将对6061铝合金的疲劳极限进行全面详细、完整且深入的探讨。

2. 6061铝合金的疲劳特性2.1 疲劳寿命曲线疲劳寿命曲线是描述材料在不同应力水平下的疲劳寿命的曲线图。

对于6061铝合金来说，其疲劳寿命曲线呈现出典型的S-N曲线。

S-N曲线是通过将应力幅值S与疲劳寿命N进行对数坐标绘制而得到的曲线。

在低应力水平下，6061铝合金的疲劳寿命较长，而在高应力水平下，疲劳寿命则显著降低。

这是因为在高应力水平下，材料容易发生微观缺陷集聚，导致疲劳破坏。

2.2 疲劳裂纹扩展疲劳裂纹扩展是指在疲劳加载下，材料中已有的微小缺陷逐渐扩展，最终导致材料破坏的过程。

对于6061铝合金来说，其疲劳裂纹扩展速率较快，这是因为铝合金中的晶界对裂纹扩展起到了催化作用。

此外，6061铝合金的疲劳裂纹扩展还受到应力比、环境温度和加载频率等因素的影响。

2.3 疲劳断口形貌疲劳断口形貌是指材料在疲劳加载下破坏时的断口形态。

对于6061铝合金来说，其疲劳断口形貌通常呈现出典型的沙粒状断口。

这是因为在疲劳加载下，裂纹扩展引起的应力集中会导致晶界的断裂，从而形成沙粒状断口。

3. 影响6061铝合金疲劳极限的因素3.1 温度温度是影响6061铝合金疲劳极限的重要因素之一。

在高温环境下，6061铝合金的疲劳极限会显著降低，这是因为高温会引起材料的软化和晶界的松弛，从而导致疲劳破坏的加速。

3.2 应力水平应力水平是指加载到材料上的应力大小。

对于6061铝合金来说，较低的应力水平会延长其疲劳寿命，而较高的应力水平则会显著降低其疲劳寿命。

这是因为在高应力水平下，材料中的缺陷更容易集聚，从而加速疲劳破坏的发生。

3.3 加载频率加载频率是指单位时间内加载的循环次数。