应力-应变曲线 应力疲劳测试

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。

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，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，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。