金屬材料疲勞S-N曲線測定的分析

曾俊燾

（廣東省智能制造研究所，廣東 廣州 510070）

金屬疲勞是一種受到循環(huán)應力以及循環(huán)應變的影響，所產生的一種永久性損傷。在總結和調查資料后給出，金屬材料疲勞具有以下不同特點：其一，疲勞是在低應力循環(huán)過程中出現(xiàn)，是一種延時斷裂，而且斷裂應力的水平低于材料的抗拉強度，低于材料的屈服強度。其次，此金屬疲勞是一種脆性斷裂，其一般疲勞應力水平才相對低于屈服強度。因此，不管是韌性材料抑或是脆性材料，在前期均不會出現(xiàn)塑性變形與游行預兆。最后，疲勞對于缺陷較為敏感，因為疲勞均是由局部逐漸蔓延，因此，對于缺陷來說，具有高度的可選擇性。上述疲勞特點較為重要，在S-N曲線測定期間，必須加以重視，確保測定的科學性。

1 金屬材料理論闡述

金屬疲勞為零構件以及各類材料，在受到循環(huán)應力以及循環(huán)應變的影響下，于一處或者幾處在局部出現(xiàn)永久性的損傷。在經過一定循環(huán)次數(shù)后，出現(xiàn)裂紋以及突然性斷裂。對于金屬結構以及材料在受到反復變化載荷的影響，盡管其應力值并未超過材料負載強度極限，其強度極限甚至低于彈性極限，就會帶來較大的破壞。因此，我們把這種反復行為、在交變載荷作用下，對建筑材料以及結構低帶來的破壞，就被稱之為金屬習慣疲勞破壞。對于常規(guī)性疲勞強度的計算，需要把應力作為基礎，計算出無限壽命以及有限壽命。

2 S-N曲線測定理論闡述

材料疲勞性的性能常把單軸應力以及循環(huán)的次數(shù)，利于S-N曲線去表示。與此同時，也要考慮到斷裂力學以及疲勞理論，利于更好的把應力伴隨時間的變化全部規(guī)律展現(xiàn)，如脈沖波的變化規(guī)律、方波的變化規(guī)律、正弦波的變化規(guī)律等。總的來說，S-N曲線測定是結合材料自身疲勞的強度及試驗中的數(shù)據，去分析和獲得疲勞壽命與應力S之間的曲線關系。

在聲波疲勞性能的測試試驗過程中，常常是利用聲壓級去替代應力級的S對材料進行繪制。利于高效繪制出聲疲勞的性能曲線。金屬材料疲勞S-N曲線方法的應用，能夠確保零件的實際意義壽命。延長其實際應用期限。

3 金屬材料疲勞S-N曲線測定過程

3.1 金屬測定材料

文章選擇的測定材料為500 MPa級汽車用鋼，鋼板厚度為8 mm，其疲勞式樣的尺寸如下圖1所示。試驗設備所選擇的為德國Zwick/Roell公司生產的HB250型高性能動態(tài)疲勞測試系統(tǒng)。

圖1 金屬測定材料疲勞式樣的尺寸

3.2 金屬材料疲勞S-N曲線測定方法

金屬材料疲勞S-N曲線測定方法，選擇成組方法進行試驗。確定判定通過的疲勞壽命值為1×107，疲勞應力比例值0.15。對金屬材料施加一個最大載荷的值，能夠利用預備性的試驗區(qū)確定。各個應力水平之間的間隔，可把梯度值設置為8以及8.5 MPa既可。試驗從大約0.35Rm這一水平的應力逐漸開始，而后不斷升高或者降低。測定試驗過程，需確保在高于6個應力水平之間開展，確保有效試驗的次數(shù)低于13個。對于某一應力水平標準下，數(shù)據檢測，數(shù)據分散測試較小的試件，應結合實際盡量少些提取，如果數(shù)據的分散性較大，則將要需要更多的金屬試驗。

3.3 試驗數(shù)據點的總體分布情況分析

試驗數(shù)據點整體的分布情況為在高應力水平區(qū)域的分布度較小，因此，在地應力水平區(qū)域的分散度則較大。在相同應力的水平下，所檢測出的疲勞測試結果存在出入，其分散性較大。因此，在實際金屬材料疲勞S-N曲線測定期間，對于離散度的測試，需要考慮到取舍問題。通常來看，可以從物理方法和數(shù)學方法角度來分析。但是基于數(shù)學方法更具有效性，文章主要針對數(shù)學方法來應用。

4 金屬材料疲勞S-N曲線測定結果

金屬材料疲勞S-N曲線測定中數(shù)據分布范圍低于力量計算數(shù)值，疲勞測試的結果具有較大分散性。

由圖2可知，隨著偏差系數(shù)A的增加，結構參數(shù)Kf、ε、β、Cl取值區(qū)間增大，則應力比值區(qū)間也隨著增大。在工程設計中，結構參數(shù)可以通過查疲勞設計手冊或少量實驗樣本估算出一個區(qū)間，區(qū)間越小，則偏差系數(shù)A越小，所得到的結構件應力比值就越精確。

圖2 結構件應力與材料應力比值和偏差系數(shù)的變化關系

5 結語

綜上所述，金屬疲勞為受到一定變應力的影響，出現(xiàn)金屬材料的破壞現(xiàn)象。機械零部于交變壓力的影響下，在一段時間過后，于局部區(qū)域可能出現(xiàn)微小的裂紋，此裂紋的不斷擴大，導致出現(xiàn)斷裂。金屬疲勞的出現(xiàn)在時間上具有突發(fā)性的特點，在位置上具有局部性的特點，在環(huán)境方面具有敏感性。金屬疲勞應力的幅值以及平均應力的大小和循環(huán)次數(shù)，對金屬疲勞的程度影響及較大。