金属轴件的高低周拉、扭疲劳演示实验

一、实验目的和要求

1、了解金属材料S—N 曲线的测试方法。 2、了解金属材料疲劳性能测试的有关试验设备。 3、观察金属疲劳破坏断口形貌的特征。 二、实验设备和仪器 1、高频疲劳实验机。 2、微机控制扭转疲劳试验机。 3、拉扭组合疲劳试验机。 三、实验原理和方法

金属材料在交变应力长期作用下发生局部累计损伤，经一定循环次数突然发生断裂的现象称做疲劳破坏。疲劳破坏是一个裂纹形成、扩展、直至最终断裂的过程。在工作应力超过疲劳极限σ

r 时，由于循环应力的反复交变，构件上应力最大或

材料最薄弱的地方首先形成微裂纹，随着循环次数的增加，裂纹按一定速率逐渐扩展，而构件的承载面积逐渐减少，当裂纹面上的应力达到材料的断裂强度时，就突然发生断裂。裂纹扩展时，高应变塑性区只限于裂纹尖端附近。断裂时，宏观上没有明显的塑性变形，因此表现为脆断。疲劳断口明显地分成光滑区（裂纹扩展区）和粗糙区（最后断裂区）。

疲劳断裂破坏常在没有任何先兆的情况下突然发生，具有很大的危险性。灾难性的疲劳破坏事故引起广泛关注并推动疲劳研究工作不断深入。经过长期的研究，材料与构件的疲劳形成一门新兴的学科。金属疲劳试验在对疲劳破坏的机理研究

中占有非常重要的地位。金属材料标准试样在交变应力作用下发生疲劳断裂前所经历的应力循环次数称为材料的疲劳寿命N。构件的疲劳寿命不仅与交变应力类型、应力幅值有关，同时也与构件形状、尺寸和表面粗糙度等多种因素有关。应力疲劳试验应采用标准的光滑小试样，在一定的循环特性R（R =σ

min/σmax）下，

控制循环应力的幅值，测取试样的疲劳寿命N。应力幅值愈小，疲劳寿命愈长。对于黑色金属，如碳素钢，若在某种交变应力(如R=-1 的对称循环交变应力)的某一应力水平下经受107 次循环，试样仍未破坏，则可认为该试样在这一应力水平下可以承受无限次循环而不发生破坏。因此，通常在试验中以对应于寿命No=107 的最大应力σ

max，(作为材料的疲劳极限σr。但是，对于有色金属和某些合金钢

却不存在这一性质，降低交变应力的应力水平，疲劳寿命会增加，在经受107 次循环后，仍会发生疲劳断裂破坏。因而，对这些金属，常以破坏循环次数为No=107 或108 所对应的最大应力值为该材料的条件疲劳极限，此处107 或108 称为循环基数。

当交变应力的最大值σ

max 大于材料的疲劳极限σr 时，试件会对应低于循环基数

的某一寿命N。把相同循环特性及条件下疲劳试验得到的一系列循环最大应力σ

max 和寿命N 以及材料的疲劳极限σr，以σmax 为纵坐标，N 为横坐标，绘制成变

最大应力σmax与疲劳寿命N 的关系曲线，即σmax—N 曲线(通常又称为S—N 曲

线)，如图所示。用S—N 曲线可以表征材料的应力疲劳性能。要测绘某种金属材料的S—N 曲线，需要13 根以上标准光滑小试样，设定五级应力水平，测出一系

列交变最大应力σmax 和相应寿命N 的数据，用最佳拟合法绘制S—N曲线。试验

过程中对各级应力水平要精心选择，以便用尽量少的试样获得较理想的测试结果。本实验因时间、物力消耗太多、学时有限，在有条件的情况下只能作参观性实验，

了解实验设备、实验原理、和测试方法。 四、实验演示内容

1、观察疲劳破坏实物，了解疲劳断口形貌特征。

2、观看高频疲劳试验机，了解其工作原理；观看轴向拉压疲劳试样，了解其安装方式；开启电源，观察试样承受拉、压交变载荷时的情况。

3、观看微机控制扭转疲劳试验机，了解其工作原理；开动试验机，演示试样承受扭转交变载荷时的情况。

4、观看拉扭组合疲劳试验机，了解其工作原理；开动试验机，演示试样承受拉扭组合交变载荷时的情况。