金屬材料扭應(yīng)力疲勞試驗方法

      對于各種金屬軸類零件如電機主軸、機床主軸、汽車傳動軸和石油鉆桿等，在機械工作中往往會受到一定的扭轉(zhuǎn)載荷的作用。為保證類似零件產(chǎn)品在實際操作中的正常工作，需要對其進行相關(guān)的材料測試和試驗，其中扭轉(zhuǎn)試驗可以測定出金屬材料的剪切模量、規(guī)定非比例扭轉(zhuǎn)強度、屈服強度、抗扭強度等力學(xué)性能指標(biāo)，而扭應(yīng)力疲勞試驗則能反映金屬材料在受到扭轉(zhuǎn)荷載下的抗疲勞性能，直接關(guān)聯(lián)著零件產(chǎn)品的質(zhì)量和實際使用壽命。下面就根據(jù)GB/T 12443《金屬材料 扭應(yīng)力疲勞試驗方法》和ISO 1352介紹一下具體的試驗方法。

一、試驗范圍

       本標(biāo)準(zhǔn)適用于室溫大氣下，測定公稱直徑為5.0mm～12.5mm圓形橫截面金屬光滑試樣的扭應(yīng)力疲勞性能。 

二、試驗原理

       公稱直徑相同的試樣裝于扭轉(zhuǎn)疲勞試驗機上，并承受圖１中４～７所示任一類型扭應(yīng)力所對應(yīng)的扭矩，連續(xù)試驗至試樣失效或至循環(huán)次數(shù)。（注：失效一般指試樣*斷裂或出現(xiàn)內(nèi)眼可見的疲勞裂紋。同批和對比試驗的判據(jù)應(yīng)相同。）

三、符號單位說明

四、試樣制取

1、試樣形狀

      形狀如圖２所示。其工作部分可為圓柱形（見圖2a））、漏斗形（見圖2b）），工作部分橫截面均為圓形；夾持端的形狀則根據(jù)試驗機的夾頭形狀和試驗材料設(shè)計。試樣的典型夾持端見圖３。

2、試樣尺寸

①　直徑ｄ的尺寸范圍為5.0mm～12.5mm，推薦直徑ｄ的尺寸為6.0mm、7.5mm、 9.5mm； 允許偏差為±0.02mm。

②　實際小直徑的測量準(zhǔn)確度應(yīng)不低于0.01mm。測量直徑ｄ時，切忌損傷試樣表面。

③　工作部分與夾持部分的同軸度應(yīng)不大于0.01mm。

④　同批試驗或?qū)Ρ仍囼炈迷嚇又睆剑鋺?yīng)具有相同公稱值。

3、試樣制備

     取樣部位、取向和方法按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或雙方協(xié)議。

①　機械加工

       所采用的機械加工不允許改變試樣的冶金組織或力學(xué)性能，且引起的試樣表面加工硬化應(yīng)盡可能小。 磨削精加工較硬材料的試樣時，應(yīng)提供足夠的冷卻液，確保試樣表面不過熱。

       工作部分與過渡圓弧的連接應(yīng)光滑，不應(yīng)出現(xiàn)加工痕跡。

       粗加工后的試樣毛坯如需熱處理，應(yīng)留有適當(dāng)?shù)募庸び嗔浚员ＷC精加工后能夠消除熱處理對試樣表面的不良影響。不允許對試樣進行矯直。 

②　表面拋光

       試樣的工作部分經(jīng)車削或磨削至公稱尺寸后，采用粒度較細且逐次變細的水磨砂紙或砂布，沿其圓周方向進行手工或機械拋光。拋光的中間階段可沿任一方向， 以消除較粗粒度的砂紙或砂布所產(chǎn)生的傷痕；拋光的后階段應(yīng)沿圓周方向。

       拋光后，試樣工作部分的表面粗糙度R_a的允許大值為0.32μm。

③　表面狀態(tài)

       試樣工作部分的表面狀態(tài)應(yīng)與工況一致。

④　試樣貯存

       已制備好的試樣如不能及時試驗，則應(yīng)妥善貯存、保護，確保試樣在貯存期間不變形且表面完好無損。

       試驗前，應(yīng)采用適當(dāng)?shù)姆椒z查試樣，其表面如有銹蝕或傷痕，則應(yīng)重新進行表面精加工。

五、試驗設(shè)備和試驗條件

1、萬測電液伺服扭轉(zhuǎn)疲勞試驗機

萬測電液伺服扭轉(zhuǎn)疲勞試驗機

        萬測電液伺服扭轉(zhuǎn)疲勞試驗機，主要用于進行軸類試樣的往復(fù)扭轉(zhuǎn)疲勞試驗，測試對象可以是金屬、非金屬、復(fù)合材料等材料試樣，也可以是軸類的結(jié)構(gòu)件，比如汽車傳動軸等。試驗環(huán)境可以是室溫，也可以是高溫、低溫、鹽霧等環(huán)境（需額外配環(huán)境箱）。

2、試驗條件

①　試驗環(huán)境為室溫大氣（10℃～35℃）。

②　應(yīng)力循環(huán)頻率不應(yīng)引起試樣過熱或試驗機共振。

③　裝于試驗機上的試樣不允許承受所需規(guī)定扭應(yīng)力以外的其他應(yīng)力。

六、試驗步驟

1、安裝試樣

      將試樣緊固于試驗機上，使試樣與試驗機兩夾頭保持良好同軸。

2、選定應(yīng)力循環(huán)頻率

      根據(jù)所用試驗機型號、試樣、應(yīng)力大小或試驗要求選定應(yīng)力循環(huán)頻率。

3、施加扭矩

      開動試驗機，其應(yīng)力循環(huán)頻率調(diào)至選定值后，將規(guī)定扭應(yīng)力所需的相應(yīng)扭矩施加到試樣上。

4、測定扭轉(zhuǎn)疲勞性能

     疲勞性能測定方法應(yīng)根據(jù)試驗?zāi)康募右赃x擇。疲勞性能測定所用試樣數(shù)量隨測定方法的不同而有一個較寬的范圍。推薦用如下方法測定扭轉(zhuǎn)疲勞性能：

①  扭轉(zhuǎn)疲勞極限（τ_D）的測定

     試驗一般在預(yù)計（0.95～1.05）τ_D范圍的３級左右等間距應(yīng)力水平下進行；應(yīng)力增量一般為預(yù)計τ_D的3％～5％；第一根試樣的應(yīng)力水平應(yīng)略高于預(yù)計τ_D；在每級應(yīng)力水平下試樣的數(shù)量一般在兩根或兩根以上。

      用下列方法之一處理試驗結(jié)果所得應(yīng)力水平即為扭轉(zhuǎn)疲勞極限：

ａ）半數(shù)試樣試驗至循環(huán)數(shù)而不失效的應(yīng)力水平，但在比此應(yīng)力水平低一級的應(yīng)力水平下，試驗至循環(huán)數(shù)而不失效的試樣應(yīng)超過半數(shù)，如圖４a)或圖４b)所示；

ｂ）如果在某級應(yīng)力水平下，超過半數(shù)的試樣試驗未至循環(huán)數(shù)已失效，而在比此應(yīng)力水平低一級的應(yīng)力水平下，試樣試驗至循環(huán)數(shù)全不失效時，則上述兩級應(yīng)力水平的平均值為扭轉(zhuǎn)疲勞極限，如圖４c)所示。

②　S-N曲線的測定 

        通常取４級～６級應(yīng)力水平；用成組法測定其中等壽命區(qū)的疲勞壽命，每組試樣的數(shù)量一般隨應(yīng)力水平的降低而增加；用扭轉(zhuǎn)疲勞極限（τ_D）的測定方法測定其長壽命區(qū)的扭轉(zhuǎn)疲勞極限。

用逐點描跡法或小二乘法，擬合上述試驗數(shù)據(jù)點即成S-N曲線。

七、試驗結(jié)果的表示方法

       試驗結(jié)果有下列兩種表示方法：

①　列裹法

       表中應(yīng)包括如下內(nèi)容：試驗順序、試樣號、試樣形狀和尺寸及表面粗糙度、頻率、 應(yīng)力、循環(huán)次數(shù)、中等壽命區(qū)的平均壽命和長壽命區(qū)的扭轉(zhuǎn)疲勞極限。

②　圖示法

      S-N曲線是常用的一種表示疲勞試驗結(jié)果的方法。繪制S-N曲線時，以應(yīng)力為縱坐標(biāo)，以疲勞壽命為橫坐標(biāo)。

      疲勞壽命采用對數(shù)坐標(biāo)，應(yīng)力采用線性坐標(biāo)或?qū)?shù)坐標(biāo)。