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S-N曲线 / Woehler曲线

S-N曲线是根据DIN 50100在恒定振幅下施加载荷(也称为S-N试验)从高周疲劳试验中得出的,并且分为低周疲劳K有限寿命疲劳Z高周疲劳D这几个区域。

按照循环数N划分这几个区域

  • 循环数为100-30,000是低周疲劳
  • 循环数约为2,000,000是有限寿命疲劳
  • 循环数无限是高周疲劳

从S-N图中,您可以读取特定载荷幅的载荷变化最大次数。它取决于材料特性、力和载荷施加类型(脉冲压缩载荷、脉冲拉伸载荷或交变载荷)。

光滑材料试样的S-N曲线(应力比R = -1)

在我们的示例中,标称应力幅Sa和循环数N采用的是对数法。在双对数表示中,有限寿命疲劳区域代表一条直线。生成的曲线指定为S-N曲线

    S-N曲线描述:

    • Rm静态强度(这里为拉伸强度
    • Sa标称应力幅
    • SaD高周疲劳强度
    • N容许循环数
    • ND边缘载荷循环数
    • NG循环数阈值
    • K低周疲劳 / 低周疲劳强度
    • Z有限寿命疲劳 / 有限寿命疲劳强度
    • D高周疲劳 / 高周疲劳强度

    低周疲劳

    低周疲劳K的载荷循环数范围约为104到105

    低周疲劳强度通过低周疲劳(LCF)试验测定。在这个范围中,材料和部件所受的应力达到在循环过程中发生塑性变形的程度,并且材料在早期阶段失效。Coffin-Manson模型通常用于更详细的表示。

    在四分之一循环内导致试样断裂的载荷称为静态强度,也可通过拉伸试验测定。

    有限寿命疲劳

    有限寿命疲劳Z是循环数介于104到2·106之间的范围(取决于材料)。在有限寿命疲劳范围内,试样总是达到失效标准条件(如裂纹或断裂)。

    有限寿命疲劳强度通过高周疲劳(HCF)试验测定。试验结束后,测试结果是一个载荷幅下的载荷循环数。

    有限寿命疲劳曲线

    在双对数表示中,S-N曲线几乎是直的。该曲线(斜率为-k)被称为有限寿命疲劳曲线。

    高周疲劳

    高周疲劳D表示材料在循环加载期间无明显疲劳或失效迹象的情况下能够承受的应力极限。

    在高周疲劳区域,确定了有限的循环数NG。如果试样在达到此有限的循环数之前失效,则视为“失效”。在高周疲劳试验期间,能够承受1,000,000次以上循环而无断裂的材料被视为抗疲劳材料。 

    高周疲劳概念产生明显低于静态概念的允许应力。

     

    高周疲劳范围内的S-N (Woehler)曲线过程分为3类:

    • S-N曲线的水平过程:铁素体钢常出现明显的高周疲劳强度或长期疲劳强度
    • S-N曲线以较小的倾角进一步下降:经常发生在奥氏体钢或铝上
    • 在初始水平过程之后,S-N曲线在大约108次循环后下降:内部缺陷导致表面下面出现裂纹

    测定S-N曲线的相关标准

    • DIN 50100 - 载荷控制疲劳试验 – 金属试样和部件恒定载荷幅循环试验的执行和评估
    • ASTM E466-15 - 金属材料力控制恒定振幅轴向疲劳试验标准规程
    • ISO 1099 - 金属材料 - 疲劳试验 - 轴向力控制法
    • DIN EN 6072 - 航空航天系列 - 金属材料 - 试验方法 - 等幅疲劳试验

    测定S-N曲线的试验机

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