CN108507873A - 材料疲劳性能曲线的绘制方法 - Google Patents

材料疲劳性能曲线的绘制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种材料疲劳性能曲线的绘制方法，包括步骤：S1、选取疲劳试样和拉伸试样；S2、拉伸试样进行拉断试验，获得拉断试验数据；S3、疲劳试样进行疲劳试验，获得模拟试验点的疲劳寿命数据；S4、数据处理，获得疲劳寿命数据；S5、绘制材料疲劳性能曲线。本发明的材料疲劳性能曲线的绘制方法，通过运用疲劳理论和数理统计工具，建立一种简便、快捷的疲劳曲线测定方法，大大降低试验人力和物力，缩短了试验周期，减少了试验工作量。

Description

材料疲劳性能曲线的绘制方法
技术领域
本发明属于材料疲劳性能检测技术领域，具体地说，本发明涉及一种材料疲劳性能曲线的绘制方法。
背景技术
材料疲劳性能曲线是施加在试样上的载荷S(应力或力)与到试样破坏时的寿命N之间关系的定量描述，是衡量材料的疲劳性能的主要手段，又称为S-N曲线。当在S-N曲线中引入存活率P概念时，被称为具有某一存活率P的S-N曲线，即P-S-N曲线，表示存活率-应力-寿命之间的相互关系。
当前国内外绘制材料疲劳性能曲线的主要方法是采用成组法得到不同应力水平下材料的疲劳寿命。由于疲劳试验数据常常有很大的分散性，因此在成组法试验方案设计中首先要考虑到试样疲劳寿命的随机性和分散性，所以试验中必须使用较多的试样。成组法经过长期的试验验证，被广泛接受，形成了成熟的试验方案及数据统计分析方法。该方法虽然保证了试验结果的精度，但是由于该方法需要的试样个数较多(根据实验结果的分散性的不同，需要试验个数也不同)，试验周期较长，试验成本较高。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供一种材料疲劳性能曲线的绘制方法，目的是缩短试验周期，减少试验工作量。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：材料疲劳性能曲线的绘制方法，包括步骤：
S1、选取疲劳试样和拉伸试样；
S2、拉伸试样进行拉断试验，获得拉断试验数据；
S3、疲劳试样进行疲劳试验，获得模拟试验点的疲劳寿命数据；
S4、数据处理，获得疲劳寿命数据；
S5、绘制材料疲劳性能曲线。
所述步骤S2中，拉伸试样在拉伸试验机上进行拉断试验，获得的拉断试验数据包括抗拉强度。
所述步骤S2中，选取多个拉伸试样进行拉断试验，得出各个拉伸试样的抗拉强度，计算获得抗拉强度的平均值，确定拉断强度；设一A点，将拉断强度作为坐标系中A点的纵坐标，以1/4周次(疲劳断裂循环周次的前1/4)下的疲劳寿命lg(1/4)作为坐标系中A点的横坐标，确定A点的坐标。
所述步骤S3包括：
S31、对n个疲劳试样进行疲劳试验；
S32、在坐标系中设立n个真实试验点，使用直线连接A点和各个真实试验点，共得到n条直线，每条直线与各试验载荷水平线的交点为模拟试验点；
S33、采用坐标纸，在坐标系中利用图解法得出各模拟试验点的疲劳寿命。
所述步骤S4中，采用公式yp＝y+μpσy计算出疲劳寿命。
所述步骤S5中，根据步骤S4获得的疲劳寿命数据，以lgS(应力的对数)为纵坐标，lgN(对数寿命)为横坐标，利用最小二乘法拟合得到材料疲劳性能曲线。
本发明的材料疲劳性能曲线的绘制方法，通过运用疲劳理论和数理统计工具，建立一种简便、快捷的疲劳曲线测定方法，大大降低试验人力和物力，缩短了试验周期，减少了试验工作量。
附图说明
本说明书包括以下附图，所示内容分别是：
图1是本发明材料疲劳性能曲线的绘制方法的原理示意图；
图2是疲劳试样的结构示意图；
图3是一般的材料疲劳性能曲线示意图。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，目的是帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，并有助于其实施。
本发明提供了一种材料疲劳性能曲线的绘制方法，包括步骤：
S1、选取疲劳试样和拉伸试样；
S2、拉伸试样进行拉断试验，获得拉断试验数据；
S3、疲劳试样进行疲劳试验，获得模拟试验点的疲劳寿命数据；
S4、数据处理，获得疲劳寿命数据；
S5、绘制材料疲劳性能曲线。
具体地说，本发明是针对传统成组法的缺点，运用疲劳理论和数理统计工具，在对材料的疲劳特性作某些简化的基础上，提出一种新的疲劳曲线测定方法，以缩短试验周期，减少试验工作量。
根据已有的疲劳理论和试验，材料疲劳寿命的分散性是试验应力水平的函数，应力水平越低，疲劳寿命的分散性就越大。在同一应力水平下，试样的疲劳寿命可以相差几倍到十几倍以上。因此，P-S-N曲线(具有某一存活率P的S-N曲线)与中值S-N曲线(50％存活率)并不平行，而且呈现向右下方张开的喇叭口形状，如图3所示。从图形几何特征角度来说，P-S-N必然会与中值曲线在高载荷区中的某一点相交。如果能够确定该交点的位置，则只需再增加一个试验点便可确定一条P-S-N曲线，因为任何一个试验点必定位于母体的某一条P-S-N曲线上，而该曲线的存活率P与该试样在其所处应力水平下的疲劳寿命的存活概率相等。根据交点特性，不同存活率下，在该点疲劳寿命均应相等。由材料力学性能可知，通过力学拉伸试验，可以近似达到这一目标。根据疲劳试验原理试样拉伸过程相当于疲劳寿命1/4周次，载荷/试样截面积为疲劳试样拉断强度，这样这个交点就可以确定下来，设为A点。然后选取一系列试样在n个载荷水平进行疲劳试验，在坐标中，连接A点和各试验点，并向低载荷区延长，这样与其它疲劳载荷水平相交就得到n-1个交点，如图2所示。在疲劳曲线拟合中，各交点的纵坐标和横坐标与实际试验点的数据同等对待，其中规定点A的横坐标固定取1/4周次，纵坐标为试样的实际拉断载荷。这样就可以得到足够的数据点进行疲劳曲线的拟合，得到疲劳曲线。
在上述步骤S1中，选取15件左右的疲劳试样，选取3-5件拉伸试样，试样选取、加工以及试样规格和形状执行相关标准。
在上述步骤S2中，拉伸试样在拉伸试验机上进行拉断试验，获得的拉断试验数据包括抗拉强度，lg(1/4)周次下的疲劳寿命对应为lgSA。
在上述步骤S2中，选取多个拉伸试样进行拉断试验，得出各个拉伸试样的抗拉强度，计算获得抗拉强度的平均值，确定拉断强度；设一A点，将拉断强度作为坐标系中A点的纵坐标，以1/4周次(疲劳断裂循环周次的前1/4)下的疲劳寿命lg(1/4)作为坐标系中A点的横坐标，确定A点的坐标。
上述步骤S3包括：
S31、对n个疲劳试样进行疲劳试验；
S32、在坐标系中设立n个真实试验点，使用直线连接A点和各个真实试验点，共得到n条直线，每条直线与各试验载荷水平线的交点为模拟试验点；
S33、采用坐标纸，在坐标系中利用图解法得出各模拟试验点的疲劳寿命。
在上述步骤S31中，选定4～5级载荷水平，由高载荷向低载荷进行疲劳试验，共计对n个试样进行了疲劳试验，获得疲劳试验数据。
在上述步骤S32中，各个真实试验点的横坐标为施加在疲劳试样上的载荷(应力或力)，各个真实试验点的纵坐标为疲劳试样破坏时的寿命。
在上述步骤S31和S32中，利用计算机中的Excel软件(电子表格软件)，在Excel软件中建立坐标系，通过直线连接A点和各个真实试验点，共得到n条直线，每条直线与各试验载荷水平线(试验载荷水平线平行于坐标系的横坐标轴)的交点，称为模拟试验点。这样在每一级试验载荷水平下，真实试验点和模拟试验点共有n个，它们构成了该级载荷水平的试样疲劳寿命数据点，相当于成组法中每一应力水平下的实际试验数据点，即为在该载荷下疲劳寿命子样。
在上述步骤S4中，根据相关标准进行数据处理，如试验数据是否符合正态分布，试验数据精度是否满足GB/T 24176等，然后采用公式yp＝y+μpσy计算出疲劳寿命。
在公式yp＝y+μpσy中，yp为在不同应力水平下某一存活率下的疲劳寿命，y为同一应力水平下疲劳寿命均值，μp为标准正态偏量，μp可以根据存活率通过查阅相关资料获得，σy为样本标准差。
在上述步骤S5中，根据步骤S4获得的疲劳寿命数据，以lgS(应力的对数)为纵坐标，lgN(对数寿命)为横坐标，利用最小二乘法拟合得到材料疲劳性能曲线。
实施例一
本实施例中以汽车大梁钢疲劳试验为例，首先采用传统的成组法开展疲劳试验，然后按照本发明提出的试验方法进行二者对比，判断本发明试验结果的精度。
按照相关标准加工疲劳试样和拉伸试样，疲劳试样形貌如图2所示。然后采用拉伸试验机进行拉伸性能检验，共计检验了3根试样，取平均值，结果为636MPa。这样就可以确定图1中的A点坐标(lg1/4，lg636)。采用传统的成组法进行疲劳试验，分为5个应力水平，分别为410MPa、420MPa、440MPa、460MPa和480MPa。每个应力水平根据试验数据的分散性确定试样个数，低应力水平下式样个数较多，高应力水平下，试样较少，具体试样个数是否合适的验证可参照相关标准。疲劳试验为拉拉疲劳，应力比R＝0.1。整个成组法试验共计采用了25根试样，试验结果如表1所示，依据公式yp＝y+μpσy可以计算90％存活率下的试样疲劳寿命如表2所示。
表1大梁钢成组法疲劳试验数据
表2大梁钢试样不在应力水平和存活率下疲劳寿命
载荷水平(MPa) 410 420 440 460 480
50％存活率(万次) 317 161 125 72 18
90％存活率(万次) 182 121 63 57 12
为验证本发明的试验精度，现运用随机抽样程序，依次从表1每一级应力水平的数据中，随机抽取3个数据(480MPa级抽2个，共计14个试样)，组合在一起作为一组原始试验数据，然后按本发明采用的方法对数据进行作图，采用图解法(通过模拟试验点和真实试验点向X轴做垂线)得出各级载荷水平下不同数据点疲劳寿命，这样就得出各应力水平下的不同疲劳寿命。以此为样本，根据相关标准进行数据处理，并对试验数据精度、分布状态进行检查。然后依据公式yp＝y+μpσy求得试样在不同存活率下各试验应力水平下的疲劳寿命，如本实例计算的90％存活率下的疲劳寿命。
以对应的传统成组法试验数据为基准计算本发明试验方法与成组法之间的误差。抽样验证工作重复进行5次，验证结果以及与成组法的对比汇总列于表3中。可以看出，本发明所采用的方法与传统方法的平均误差小于8％，最大误差为9.09％。
可见本发明方法通常需要15个左右试样进行疲劳试验，明显小于传统成组法，与之相比，平均相对误差一般小于10％，能满足生产试验中简便、快捷的测定材料疲劳曲线的要求。
表3本发明方法与传统成组法在90％存活率下试验结果对比
以上结合附图对本发明进行了示例性描述。显然，本发明具体实现并不受上述方式的限制。只要是采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进；或未经改进，将本发明的上述构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.材料疲劳性能曲线的绘制方法，其特征在于，包括步骤：
S1、选取疲劳试样和拉伸试样；
S2、拉伸试样进行拉断试验，获得拉断试验数据；
S3、疲劳试样进行疲劳试验，获得模拟试验点的疲劳寿命数据；
S4、数据处理，获得疲劳寿命数据；
S5、绘制材料疲劳性能曲线。
2.根据权利要求1所述的材料疲劳性能曲线的绘制方法，其特征在于，所述步骤S2中，拉伸试样在拉伸试验机上进行拉断试验，获得的拉断试验数据包括抗拉强度。
3.根据权利要求2所述的材料疲劳性能曲线的绘制方法，其特征在于，所述步骤S2中，选取多个拉伸试样进行拉断试验，得出各个拉伸试样的抗拉强度，计算获得抗拉强度的平均值，确定拉断强度；设一A点，将拉断强度作为坐标系中A点的纵坐标，以1/4周次下的疲劳寿命lg(1/4)作为坐标系中A点的横坐标，确定A点的坐标。
4.根据权利要求3所述的材料疲劳性能曲线的绘制方法，其特征在于，所述步骤S3包括：
S31、对n个疲劳试样进行疲劳试验；
S32、在坐标系中设立n个真实试验点，使用直线连接A点和各个真实试验点，共得到n条直线，每条直线与各试验载荷水平线的交点为模拟试验点；
S33、采用坐标纸，在坐标系中利用图解法得出各模拟试验点的疲劳寿命。
5.根据权利要求1至4任一所述的材料疲劳性能曲线的绘制方法，其特征在于，所述步骤S4中，采用公式yp＝y+μpσy计算出疲劳寿命。
6.根据权利要求1至5任一所述的材料疲劳性能曲线的绘制方法，其特征在于，所述步骤S5中，根据步骤S4获得的疲劳寿命数据，以lgS为纵坐标，lgN为横坐标，利用最小二乘法拟合得到材料疲劳性能曲线。
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