结构疲劳理论实验报告.1a

金属循环应力应变特性实验报告

课程名称：《结构疲劳寿命分析》 实验名称：金属循环应力应变特性实验 实验时间： 实验地点： 实验组别：第二组指导老师：王英玉

实验参加人员：

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董斌斌 谭景磊 王瑞凯 陈志超 王孝慧 赵宝华 袁伟 徐鹏 有连兴 陈佳

卜鹤群（组长）

1实验目的

1、 了解金属材料（45钢）在弹性变形和塑性变形两个不同阶段的应力－应

变滞后环形状；

2、 了解金属材料（45钢）的瞬态响应。

2使用主要仪器设备说明

仪器设备名称，MTS809拉扭疲劳实验机

1）功能/应用范围

该试验机用途极为广泛，适用于金属、非金属、复合材料的室温及高温下的试验研究，该机可进行：1. 拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转；2. 蠕变和松弛；3. 低周循环疲劳；4. 疲劳裂纹扩展；5. 断裂韧性及各种特性波型的疲劳及随机疲劳；6. 拉扭同时疲劳试验。潜艇高压气瓶海水腐蚀疲劳、剩余寿命预估，随机荷载作用下裂纹扩展和寿命估算。

2）主要附件

1. Testar IIs 数字控制系统软件及应用软件。

2. 低周疲劳、高周疲劳、裂纹扩展、断裂韧性及静态试验软件。 3. 全部数据处理软件。

3）主要技术指标

轴向作动缸：动态位移±75mm ；动态轴向荷载：±50kN ；扭转作动缸：静态扭角±50°；动态扭角±45°，静态扭矩550N ？m 。配有高温环境箱100-1400℃。装置为全数字闭环控制系统，计算机监控处理，多种控制模式（荷载、位移、应变等）及多种控制模式组合在线自动转换。波形发生器可产生：三角波、正弦波、方波、斜波等组合波形编辑软件。

目前具备完善的疲劳分析方法和规范，拥有国际先进的 材料实验机系统MTS809和MTS880实验机，主要可以实现如 下分析功能： 1.断裂力学性能测试：包括断裂韧性、COD 、 J 积分、裂纹扩展速率等断裂性能； 2. 常规力学性能测试： 弹性模量、延伸率、断面伸缩率、屈服强度、抗拉强度等； 3. 高温力学性能测试：高温蠕变、热膨胀系数，高温弹性 模量、延伸率、断面伸缩率等，最高温度可达14000C 。

仪器图片

3实验原理

1）金属材料的应力应变特性

当材料所受到的外载荷处于材料的弹性范围内时，宏观上认为材料不产生塑性。但当承受的外载荷超过材料的比例极限时，就形成了迟滞回线，亦即滞后环，而产生塑性耗散，如图1所示。

(a)

(b)

图1 迟滞回线的产生

（a ） 应力应变处于弹性范围；（b ）应力应变处于塑性范围。

2）稳态循环σ-ε曲线

材料的稳态循环应力—应变曲线描述了当材料的瞬态行为 达到了相对稳定状态时的应力—应变关系，如图2所示。

图2 稳态循环σ-ε曲线

3）瞬态循环σ-ε曲线

基本假设： ①

各支瞬态曲线线性段的斜率是相同的，即弹性模量E 相同，只是直线段

的 长度不同，也即屈服强度不同； ② ③

各支瞬态曲线的曲线段的形态相同；

循环硬化材料，随着循环数的增加，直线段的长度不断增长，直至饱和。

瞬态循环σ-ε曲线的几何形状如图3所示。

图3 瞬态循环σ-ε曲线的几何形状

第一次循环的σ—ε曲线称为骨架曲线。用屈服强度增量来表示直线段的变化，则第i 次循环的屈服强度可表示为：

σYi =σY1+δσYi (1)

在R=-1时，45号钢棒材的疲劳极限时279.3Mpa 。在工程设计中，以45的抗拉强度达600MPa ，屈服强度355MPa 来设计。

实际工程材料由于其瞬态特性不同，他们的循环应力—应变曲线的形状是不同的。E =2.06×10e5MPa, 泊松比：0.25～0.3

4）失稳现象

承受外压载荷的壳体，当外压载荷增大到某一值时，壳体会突然失去原来的形状，被压扁或出现波纹；载荷卸去后，壳体不能恢复原状，这种现象称为外压壳体的屈曲或失稳。 （1） 受轴向压力的管件

受均布轴向压缩载荷圆筒的临界压力为

σcr =

（2） 临界长度

临界长度：

L cr =1. 17D o

D o t

E

2

t

3(1-μ) R

(1)

(3)

如果圆筒计算的有效长度小于临界长度（L

，即属短管件，短管件

失稳后的波形数为大于2的整数，临界压力值与t /D 及L /D 都有关系，当L>Lcr 时，属长管件。

式子中t 表示壁厚，D o 表示外径，，L 表示工作段长度。 a ）长管件

当σcr

p cr =

2E 1-μ

2

(

t D o t )

)

3

3

(4)

(当μ=0.3时， p cr =2. 2E

D o

(5)

临界压力 σcr =

b ）短管件

采用拉姆公式：

p cr =

p cr D o 2t

(6)

2.59Et LD

o

2

D o t

(7)

取t=1.5mm, D o =20mm, L=40mm。 得到L cr =85.4447,所以属于短管件，所以

p cr

= 410.9511Mpa; σcr =2739.7Mpa。满足要求。

4实验内容

1）实验件的设计

试验件分试验段，夹持部分及二者之间的过渡区这3部分组成, 如图4所示。

图4 试验件的组成

2）实验件的参数

试验件的各参数如下图5所示

图5 零件的参数

5实验数据记录及处理

1）零件几何尺寸

外径D o = mm ； 壁厚 mm ， 长度mm

2）薄壁管件材料性能

MPa ；μ= ； σs = MPa ；σb MPa.

3）实验过程数据记录

（1）实验步骤

第一步——完成试样的全部制备过程；

第二步——待查校准情况。应确实保证这台试验机件试验前已进行过检定(在本

次试验所要求的载荷范围内) ，并应保证自上次检定以来，试验机没有发生过不正常的现象。

第三步——建立试验记录本。试验记录本中应包括没有参加这一试验的研究者所

需要的全部数据，以便必要时还可以重试。

第四步——调好试验仇并进行试运转。许多类型的疲劳试验系统在使用之前都需

要有一段稳定工作性能的时间。

第五步——在机器上安装试样。

第六步——开始试验。这时应把计数器或计时器调到零或者将当时的读数记下

来。使程序装置开始工作(例如复位) ，并调定读出装置。

第七步——装好安全装置。在这一步中，如果可能的话，让用来保护试验不受意

外载荷或应变影响的所行元件都进入工作状态。

第八步——试验开始。 第九步——照管试验的进行。

第十步——确定试样的破坏标准。这个标准最好应及早定下来，但是一放还是在

这一步里确定。确定了怎样才算破坏(例如应变骤增，载荷滑跌等) 之后，把测量这种参量的装置问试验系统连接起来，以使当这个参量达到极限值时，试验系统就会停止工作。

这个标准甚至也可以不是一个破坏标准；求在一个须定的时间内

或按预定的循环周次，给试样施加疲劳载荷。

这个标准也可以是由试验人员来掌根的。例如可以要求试验工程

师在看到刚开始有疲劳损伤征象时就停止试验。

无论在试验中采用什么破坏标准，都必须清楚地记录下来，并且

自始至终予以应用。

第十一步—— 停止试验。 第十二步——取下试样。

第十三步——完成记录表。在试验机复位之的，应把所有有用的数据都记录下来。

试样也应当仔细地予以检查，并把所有有关试样破坏的详细情况都记下来。如果暂时不检查试样或者要把试样保存起来以备日后再来检查时，那就应该采取防腐蚀或防其他的时间效应的措施。

与试验步骤有关的最后一点是：对可能会出现的似乎是多余的

数据应慎重对待。最好在试验记录本上能多记一些数据。记录个上这些多余的资料是反复核对用的绝好材料。例如，假使能细致地注意并记录频率和起始及终止时间的话，那么即使循环计数器失灵，也不会导致昂贵的疲劳试验失效。

具体实施步骤如下：

a ）在45号钢的应力应变弹性范围内，即外载荷在材料的比例极限范围内，取外载荷15kN, 则材料应力σ=172.15Mpa,满足条件。在外载荷15kN 的循环载荷作用下，得到一组数据点。

b ）在最大外载荷为25kN 进行多次循环实验，直到稳态，得到一组数据点。 c ）在最大外载荷为28kN ，30kN ，33kN,35kN 下进行实验，得到多组数据点。以上循环载荷的应力比R=-1。

4) 实验注意事项

第五步——当把试样安装到试验机的夹头上时应当小心，以防试样产生过大的预

应变，因为预应变大了会影响试验结果。根据经验估计应将这种载荷或应变限制在疲劳极限时的25%以下。

第八步——每个试验都有一定的载荷或者应变同时间的关系。当试验开始时，某

些循环中，载荷或者应变和时间的关系有可能成多或少地偏离给定

曲线，这些都应记在记录本上。

第九步——试验展开后，试验人员要观察试详的状态，以确定是否有过大的振动、

发热或其他反常现象。必要时应中断试验或洲整数装。

第十一步——停止试验时，与开始试验的时一样，如试样还没有破坏，那末它所

受到的载荷或应变可能有虚假。如果这个疲劳试验后紧接着还要进行其他试验(例如断裂韧性试验) ，则这种虚假的载荷就会影响后面的试验结果。特别注意，试样在试验开始和停止时的载荷或者应变对应于时间的曲线，都应记入记录本中。试验工程师应考虑好怎样防止工作人员在试样破坏时受到伤害。

第十二步——把试样从疲劳试验机上取下来时应当小心。如试件还没有断，则应

注意使为了断开试样而施加的超载为最小。如果试样己断，则应防止损坏断口。

5) 数据处理

（1）计算临界压力的理论值。

（2）绘制在不同载荷下的应力应变σ-ε曲线。在弹性范围内取两组力：-25KN 到25KN 和-28KN 到28KN ，在塑性范围内取一组力：-31KN 到31KN 。

（3）绘制在不同循环次数下的瞬态循环σ-ε曲线的几何形状。此时所加的力的大小为-31KN 到31KN 之间，第一个周期的就需要记录，在接下来的过程中每隔100个周期记录一下瞬态循环曲线，直到45钢寿命结束为止。 （4）讨论应力－应变滞后环及瞬态特性。

（5）根据绘制出来的图与理论分析的结果进行对比分析，说明误差原因，得出结论。