载荷持续情况对疲劳失效(疲劳强度)的影响

载荷持续情况包括载荷的频率、加载波形以及载荷中断等情况。

(1)加载频率的影响 室温下加载频率在相当大的范围内变化时,对疲劳极限没有明显影响。频率在6~500Hz内变化时,对疲劳极限影响很小。频率从10Hz提高到500~1000Hz,仅使钢和铸铁的疲劳极限有一定的提高(5%~10%)。可以认为,在大气条件下且试验温度小于50℃时,频率在正常频率范围内变化,对于大多数金属(除了易熔合金及其他熔点低的金属)的疲劳极限没有影响。

频率变化对疲劳强度的影响与试样处在最大载荷下的时间有关,这是因为塑性变形落后于应力,最大应力作用的时间越长,强化过程越强烈。另外,提高频率相当于提高加载速率,加载速率高于裂纹扩展速率时使裂纹来不及扩展,从而使其疲劳强度与寿命提高。但是在实际试验中,疲劳寿命并不是随着频率上升单调上升,而是在疲劳极限与频率的关系曲线上出现一个极值,之所以出现这个极值与试样发热引起的软化有关。在没有专门的冷却措施的情况下进行高频试验时,试样急剧发热,从而使疲劳极限与频率的关系曲线上出现极值。根据不同学者所得数据,此极值出现在1~3kHz内或更高(约10 Hz)的频率下。如果能采取有效的冷却措施,疲劳极限与频率的关系曲线会变为单调递增曲线。

此外加载频率对疲劳强度的影响与外加应力水平也有关。应力水平愈高,频率的影响愈大。加载频率对寿命的影响比对疲劳极限的影响大。例如,在远超过疲劳极限的载荷范围内,当加载频率由1Hz增加到4~5Hz时,寿命会增加数倍。

超高周疲劳是一种相对特殊的疲劳行为,对于超高周疲劳行为(循环寿命大于10 ,试验频率一般大于20kHz),国内外研究者进行过大量的研究工作。用超高周疲劳设备测试合金的超高周疲劳性能,试验的振动频率为20kHz,远高于传统高周疲劳试验机的几十到几百赫兹的频率,频率的改变对试验结果的影响成为超高周疲劳研究的热点问题,但是目前没有统一的结论。

20世纪80年代初,研究者们认为频率效应与材料的晶体结构有关,对于体心立方金属有频率效应,对于面心立方金属和合金材料的影响很小,这样的结论可以被解释为:面心立方金属材料的位错激活能较小,高频和低频下的滑移同样活跃,加载频率对疲劳的影响很小;体心立方金属材料的位错激活能较高,临界剪切力较大,高频和低频下的滑移程度不同,加载频率对疲劳的影响较大;合金材料的强度较高,在外加低应力下,位错可动性较小,高频和低频的滑移程度相同,加载频率对疲劳的影响很小。有的研究者通过进行几个钢种的超高周疲劳试验,发现频率高时会使疲劳寿命增加,同时提高疲劳强度,因此,要用“超高周频率修正系数”对试验结果进行修正,与常规试验结果吻合。一些研究者的研究结果表明,频率对合金材料的疲劳寿命、裂纹萌生和扩展均没有影响,镍基单晶高温合金PWA1484的频率效应研究结果表明,在1000℃时高频和低频的疲劳寿命相同,裂纹都是起源于碳化物,但在高频下裂纹沿{111}八面体滑移面扩展,在低频下裂纹垂直于应力轴方向扩展。

(2)应力波形的影响 循环的波形(正弦、三角形、梯形、矩形等)确定了在最大应力下载荷保持的时间。相对而言,在高温与腐蚀介质条件下循环波形对材料或结构的疲劳寿命有较大影响。例如:在进行焊接试样试验时,由三角波变为方波,使寿命明显降低。

(3)中间停歇的影响 有研究结果发现:中间停歇对疲劳寿命有一定影响,其影响随材料而异。对于低碳钢影响较大,每隔10% 停歇6~8h可使疲劳寿命提高一倍以上;对合金钢、铝合金、镁、铜等金属则影响很小。停歇愈频繁,停歇时间愈长,对疲劳寿命的影响愈大。停歇时若对试样进行中间加热,则提高疲劳寿命的效应加强,这时即使停歇时间很短也有明显影响。

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