高周疲勞（HCF)試驗解決方案

2023.10.13 萬測

一、高周疲勞

高周疲勞是指疲勞壽命的載荷循環(huán)周次比較高，一般大于50000次。加載在零件或構(gòu)件上的循環(huán)應(yīng)力水平比較低，最大循環(huán)應(yīng)力一般小于材料的屈服應(yīng)力，材料始終處于彈性階段。一般采用應(yīng)力作為控制參量，因此高周疲勞又稱為應(yīng)力疲勞。在經(jīng)歷足夠多次的循環(huán)載荷之后，裂紋首先從材料內(nèi)部高應(yīng)力的局部開始形成，稱為裂紋萌生。此后，在循環(huán)載荷的繼續(xù)作用下，裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，直至發(fā)生完全斷裂。裂紋從萌生、擴(kuò)展、斷裂三個階段，是疲勞破壞過程的一個特點，三個階段所承受的循環(huán)載荷次數(shù)，稱為疲勞壽命。

在高周疲勞試驗中，材料的疲勞性能可以用S-N曲線來描述。在給定的應(yīng)力比下，施加不同應(yīng)力幅的循環(huán)應(yīng)力，記錄失效時的載荷循環(huán)壽命。以壽命為橫坐標(biāo)，應(yīng)力為縱坐標(biāo)，描點并進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，即可得到。

二、高周疲勞試驗用疲勞試驗

萬測研制用于高周疲勞試驗的疲勞試驗機(jī)，有HDT-A（作動器上置）和HDT-B（作動器下置）兩個系列，都以電液伺服為驅(qū)動，由電氣控制器、伺服閥、負(fù)荷傳感器、位移傳感器與計算機(jī)共同組成閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)，實現(xiàn)力、變形、位移PID控制，并自動測量試驗力、位移、變形等試驗參數(shù)。

疲勞.jpg

HDT-A（作動器上置）

圖片.jpg

HDT-B（作動器下置）

HDT-A、HDT-B均可用于測試金屬材料、非金屬材料、復(fù)合材料、彈性體、結(jié)構(gòu)零件的動態(tài)疲勞特性。疲勞試驗可以正弦波、三角波、梯形波、自定義波等波形進(jìn)行加載。配置不同的夾具，可實現(xiàn)拉拉、壓壓、拉壓等加載方式。也可配置環(huán)境試驗裝置，進(jìn)行高溫、低溫、鹽霧、腐蝕下的模擬環(huán)境試驗。是科研院所、材料制造、土木工程、國防軍工、高等院校、機(jī)械制造、交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)理想的疲勞試驗系統(tǒng)。

三、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

? GB/T 3075金屬材料疲勞試驗軸向力控制方法

?GB/T15248 金屬材料軸向等幅低循環(huán)疲勞試驗方法

?ISO 1099 Metallic materials — Fatigue testing —Axial force-controlled method

? ASTM E466 Conducting Force Controlled Constant Amplitude Axial Fatigue Tests of Metallic Materials

......

四、棒材/板材試樣

一般描述材料疲勞性能的基本S-N曲線，都是利用小尺寸試樣在循環(huán)加載下得到的。為了確保試驗數(shù)據(jù)反映材料的真實性能，并且減小其離散性，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對試樣加工尺寸、精度、表面粗糙度有明確要求。一般金屬材料的試樣形狀為棒材或板材，一些非金屬材料也是類似形狀。下圖為我們試驗軟件的高周疲勞試驗?zāi)K支持試樣類型，可以一一對應(yīng)尺寸代號將試樣尺寸輸入軟件，建立試樣參數(shù)。

試樣.png

五、液壓夾具

液壓.jpg

液壓夾具除了能直接夾持棒材和板材，還可以擴(kuò)展為螺栓拉伸夾具和錨鏈拉伸夾具。

六、同軸度校準(zhǔn)

機(jī)械結(jié)構(gòu)不可避免的誤差，會導(dǎo)致上、下夾具之間不同軸，導(dǎo)致試樣C型變形、S型變形受力或二者復(fù)合變形，試樣的局部應(yīng)力/應(yīng)變會遠(yuǎn)大于設(shè)置值，最終試樣的疲勞試驗壽命會嚴(yán)重下降。

相關(guān)試驗標(biāo)準(zhǔn)要求試樣彎曲率≤5%，如果單靠機(jī)械加工精度和裝配精度，是遠(yuǎn)達(dá)不到≤5%的彎曲率，此因在主機(jī)上增加一個同軸度環(huán)，可以通過此環(huán)對液壓夾具進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，最終能輕松達(dá)到≤5%的彎曲率。

試樣變形.png