当构件的某个点在承受足够大扰动应力,经过足够多的循环后会形成裂纹,这一现像被称为疲劳。疲劳断裂是工程结构和部件失效的主要原因。在目前的应用和研究中,较主流的疲劳测试方法主要有4类:1. 名义应力应变法;2. 局部应力应变法;3. 能量法;4. 断裂力学法。本文简要介绍了此4类方法及其应用。
1 .名义应力法
名义应力法是对标准构件施加额定应力测试的方法,根据Zui大循环应力与屈服应力的关系,分为应力疲劳和应变疲劳。
首先介绍应力疲劳,其定义是若Zui大循环应力Smax小于屈服应力Sy,为应力疲劳。由于应力疲劳测试,材料寿命大于104次,所以应力疲劳也被称为高周疲劳。应力疲劳依据的理论,金属材料的应力S与破坏时的循环次数N呈非线性分布。
应力疲劳一般用于材料疲劳S-N曲线,如图1和图2,采用升降法测试AZ31B镁合金疲劳极限(应力比为0.1,疲劳寿命为107对应的疲劳载荷)。图中AZ31B镁合金试样的疲劳极限为97.29MPa。
应变疲劳应用于高载荷低设计寿命构件的测试。其定义是:若Zui大循环应力Smax大于屈服应力Sy,为应变疲劳。应力疲劳测试用于研究部件在高载荷低频率的场合,如压力容器使用寿命期限内,总循环次数数量级为104,因此,用应变作为疲劳性能参量描述。应力疲劳也被称为低周疲劳。
基于应变疲劳研究学者提出以下理论,材料的应力-应变(Remberg-Osgood弹塑性应力应变)关系:
式中εe弹性应变幅,εp为塑性应变幅。
在恒幅对称应变测试过程中,由于材料发生塑性变形,应变减小时应力不能以原始路径减小,应力-应变曲线呈环状,这一曲线称为滞后环。随着循环次数增加,达到相同的应变幅应力会增加或减小,这一应力对应变的响应被称为循环硬化或循环软化,循环足够多周次,有的材料会形成稳定滞后环。
应变疲劳中,用应力-应变曲线,描述材料的循环硬化或循环软化趋势。对于具有对称滞后环曲线材料,称为Massing材料。
2、 局部应力应变法
对于带缺口试样以及存在应力集中部件,采用局部应力应变法分析,当前研究表明决定构件疲劳寿命的是局部Zui大应变和应力,并提出应力集中系数的概念。适合计算材料裂纹形成的寿命,以及部件剩余疲劳寿命预测。
对于局部应力法提出的理论有Neuber 公式(应力集中公式)
Minner理论(疲劳累计损伤理论):构件在恒定应力S下的疲劳寿命为N,则经n次循环的损伤为:
若在k个恒定应力Si下,各经受ni次循环,其总损伤可定义为:
破坏准则为:
应力集中点疲劳寿命根据以下公式计算:
式中:Sf-等效应力光滑试样疲劳寿命
图6起重机的疲劳寿命计算方法为,将不同测试点载荷时间历程图,输入各点的疲劳寿命方程,可计算出各点剩余疲劳寿命。默认寿命Zui少点为设备的剩余疲劳寿命。对于起重机,学者提出普通钢材累计损伤值D达到0.68即失效。