[科普中国]-高周疲劳

概念

高周疲劳是指小型试样在变动载荷（应力）试验时，疲劳断裂寿命 周次的疲劳过程。由于这种疲劳中所施加的交变应力水平都处于弹性变形范围内，所以从理论上讲，试验中既可以控制应力，也可以控制应变，但在试验方法上控制应力要比控制应变容易得多。因此，高周疲劳试验都是在控制应力条件下进行的，并以材料最大应力 或应力振幅 和循环断裂寿命 的关系（即 — 曲线）和疲劳极限 作为疲劳抗力的特性和指标。它们在动力设备或类似机械构件的选材、工艺和安全设计中都是最重要的材料力学性能数据。

基本原理在金属材料中，典型的 — 曲线有二类，其中一类曲线从某循环周次开始出现明显水平部分（见图1)，中、低强度钢通常具有这种特性。

它表明当所加交变应力降低到水平值时，试样可承受无限次应力循环而不断裂，因而将水平部分对应的应力称为金属的疲劳极限 。不过测试时实际上不可能做到无限次应力循环，而且试验还表明，这类材料在交变应力作用下，如果应力循环 周次不断裂，则承受无限次应力循环也不会断裂，所以对这类材料常用 周次作为测定疲劳极限的基数。对高强度钢、不锈钢、钛合金和铝合金，可能没有水平部分，其特点是随应力降低循环周次不断增大，但不存在无限寿命（见图2）。

在这种情况下，常根据实际需要给出一定循环周次（ 或 周次）下所对应的应力作为金属材料的“条件疲劳极限”，记作 。

由于材料的—曲线和疲劳极限与循环载荷的应力状态（如拉伸、弯曲、扭转等）和应力比都有关系，所以通常原则上应按材料服役条件选择适当的标准测试方法来得到相应的性能数据。在已有的高周疲劳特性数据中，以旋转弯曲的数据最丰富。

这是因为这类试验装置结构(见图3）及操作都很简单和方便，且平均应力 ，循环完全对称，即应力比。这和大多数轴类零件的服役条件也是很接近的。

在—曲线中除了可得到疲劳极限外，曲线倾斜部分还反映金属材料的另一种疲劳性能——过载持久值。它表示当应力超过疲劳极限时金属材料对过载的抗力大小。

从图4可见，曲线斜率大的材料1，在相同过载应力下，其寿命较材料2的长（），因而具有较大的抗过载能力。

有时为了评定缺口对疲劳性能的影响，还要测定缺口试样的—曲线。

图5所示为同一种钢材用缺口和光滑试样测出的两条—曲线。显然缺口试样的疲劳强度（）要比光滑试样的低。

应当注意，高周疲劳试验宏观上是在弹性范围内的循环加载试验，对应力集中很敏感，所以，为了试验数据的真实性和可比性，试样应严格按标准规定加工，特别是在过渡圆角和表面光洁度方面更应倍加注意。

典型的—曲线是由有限寿命（中等寿命）和长寿命（疲劳极限或条件疲劳极限）两部分组成。在—曲线的测试中，由于疲劳试验数据分散性大，若每个应力水平下只测定一个数据，则测得—曲线的精度较差。为了得到较为可靠的试验结果，一般疲劳极限（或条件疲劳极限）采用升降法测定，而有限寿命部分则采用成组试验法测定。后者在实际应用中通常还要处理成有一定存活率（）的—曲线，即——曲线簇。它是有可靠性要求的部件进行有限寿命设计时的必备数据。1