知识资料高周疲劳（1）（高周疲劳S-N曲线及其测量）

戴光泽教授

西南交通大学材料科学与工程学院第五章材料的疲劳

FatigueofMaterials第二节高周疲劳

High-cyclefatigue寿命较长的疲劳破坏现象受力特点：应力水平较低，应力-应变关系处于弹性范围内变化。从理论上讲，高周疲劳可以控制应变、也可以控制应力，但是，一般在实验方法上控制应力比控制应变容易实现。一、S-N曲线（高周疲劳曲线）疲劳应力---疲劳寿命曲线S：代表应力水平（

，纵坐标），N：代表循环次数（寿命，横坐标），该曲线表示在低应力水平的前提下（一般不超过材料的弹性极限），随着应力水平的下降，疲劳寿命是不断增加的。疲劳曲线循环次数N应力不断裂对数坐标S-N曲线（高周疲劳曲线）钢铁材料部分在色金属（Al合金）条件疲劳极限对称循环疲劳极限：在对称载荷的作用下，具有应变时效的材料（碳钢、合金结构钢等）当应力水平降低到某一个临界值时，S-N曲线变为水平线（表明试样可以经过无限次应力循环也不会发生疲劳断裂），称之为疲劳极限（实际上只要材料经过107次应力循环而不断，则可以认定材料能够承受无限次应力循环而不发生断裂，由于是对称循环载荷，因此，这个疲劳极限记为）有限寿命部分无限寿命部分高周疲劳极限的表示方法S-N曲线反映材料的“过载持久性能”斜率大的材料1在相同的应力水平

下比斜率小的材料2的寿命长，有缺口的试样的疲劳强度比光滑试样的疲劳强度低。二、S-N曲线的测定（对称应力作用下）1、疲劳极限的测定方法（升降法、测定无限寿命或低应力部分）

测定方法：升降法测定

，有效试样数在13根以上。从略高于预计疲劳极限的应力水平开始试验，然后逐渐降低应力水平（整个试验在3~5个应力水平下进行试验），如上图。疲劳极限的测定方法试验原则：凡前一个试验如不到限定的循环周次（

）就断裂时，用X表示，则后一级试验就在低一级应力水平下进行，直到在限定的循环周次（

）下发生断裂，这时用O表示；这以后的试验就在高一级应力水平下进行，按照此方法直到获得13个以上有效数字为止。疲劳极限的测定方法在处理试验数字时，将出现第一对相反数据以前的数据舍去（如上图中3、4为第一对相反数据，则此前的1、2数据应该舍去），余下的均为有效数据，按照下式计算

m—

有效试验的总次数（断与未断均包括在内）；

n—试验的应力水平级数；—第i级应力水平；

—第i级应力水平下的试验次数疲劳极限的测定方法注意：

应力水平的确定（包括第一级应力水平的确定及应力增加量

的选择）：第一级应力水平应略高于预计的条件疲劳极限（钢材：

取

），应力增加量为预计疲劳极限的3%~5%（钢材：

）；评价升降图是否有效的依据：有效数据必须大于13个；图中X和O的比例大体各占一半。疲劳极限的测定方法疲劳极限的计算公式m有效试验的总次数（破坏和通过的数据均包含在内）；n试验应力水平级数；第i级应力水平；第i级应力水平下的试验次数（i=1,2,3,………,n）。2、有限寿命S-N曲线的测定方法（成组法、测定有限寿命或高应力部分）通常用4~5级应力水平下的常规成组疲劳试验的方法测定，即每级应力水平下测3~5试样的数据，然后进行数据处理，计算出中值（即存活率为50%）疲劳寿命，最后再将测得的结果拟合成S-N曲线。有限寿命S-N曲线的测定方法某应力水平下试样断裂正态分布函数有限寿命成组试验法

设3—4级较高的应力水平（高于疲劳极限）组每组做若5根左右疲劳试验并计算上述分布函数其中：数学希望平均值正态分布标准差确定以后，f(x)就随之而定存活率（对于分布函数的积分）存活率（对于上述正态分布函数的积分），代表在某一个应力水平下，未断裂试样的概率取存活率50%的各个应力水平的点，连接起来，构成疲劳曲线的斜线部分有限寿命S-N曲线的测定方法疲劳中值计算：将每一级应力水平下测的疲劳寿命代入以下计算公式如果出现越出：即在某一水平下的平均寿命大于规定的107，则这一组疲劳寿命取排列中值（奇数），或中间两个数值的平均值（偶数）。

有限寿命S-N曲线的测定方法例如：在某一级应力水平下测得的5个试样的疲劳寿命如下表所示：3、S-N曲线的绘制3、S-N曲线的绘制：两种方法绘制成两种S-N曲线，

-N曲线和

-lgN直线在S-N曲线的拟合中有两种基本方法：逐点描绘法直线拟合法逐点描绘法直线拟合法由于疲劳设计上的需要，对某些金属材料常用直线拟合上述成组试验数据点。下面结合表中所列的30CrMnSi钢的一组数据，介绍直线拟和方法。4、疲劳试验结果的统计处理及P-S-N曲线的绘制：必要性：零件的疲劳设计中必须考虑的问题对于工作应力在疲劳极限

以下工作的零件，采用升降法测定的无限疲劳极限可以满足要求对于工作应力在疲劳极限以上工作的零件（有限寿命设计的零件），上述成组法测定存活率50%的中值S-