二级加载快速疲劳试验换算系数K值的获得方法

摘要

本发明涉及一种二级加载快速疲劳试验换算系数K值的获得方法，该方法包括下述步骤：确定第一级单级高载的预循环次数n；待测金属试样在单级高载下固定循环n次后进行第二级单级低载疲劳试验，得到待测金属试样剩余疲劳寿命；计算待测金属材料单级低载、任意可靠度对应的疲劳试验寿命伪计算值；计算二级加载快速疲劳试验换算系数K。以后可利用换算系数K值，在已知单级高载荷、任意可靠度所对应的疲劳寿命的条件下，通过二级加载快速疲劳试验能够快速得到较高精度的单级低载荷、任意可靠度范围50%～99.9%所对应的疲劳寿命。本发明可应用于各种机械常用金属材料的疲劳试验。

说明书

技术领域

本发明属于常用金属材料疲劳试验技术领域，涉及一种二级加载快速疲劳 试验换算系数K值的获得方法。

背景技术

常规的P-S-N试验方法，是根据某一单级载荷下疲劳寿命样本得出其疲劳 寿命分布。根据疲劳寿命分布得到该级载荷下任意可靠度α（范围50%～99.9%， 下同）所对应的疲劳寿命。试验顺序是按照载荷从高到低，逐级进行。

由于材料特性，低载荷时的寿命往往是高载荷时的数十倍以上，导致为获 得单级低载σ₂下任意可靠度α所对应的寿命N_2α所需的试验时间太长。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种二级加载快速疲劳试验换算系数K值 的获得方法，利用该换算系数K值，能够快速得到较高精度的单级低载荷σ₂、 任意可靠度α所对应的疲劳寿命N_2α。

为了解决上述技术问题，本发明的二级加载快速疲劳试验换算系数K值的 获得方法包括下述步骤：

步骤一

对一组待测金属试样进行单级高载σ₁下的疲劳试验,得到该级载荷下可靠 度α所对应的疲劳寿命N_1α，α范围为50%～99.9%；

步骤二

确定第一级单级高载σ₁的预循环次数n,n小于N_1，0.999，N_1，0.999为单级高载σ₁、 可靠度α=99.9%对应的疲劳寿命值；

步骤三

对待测金属试样在单级高载σ₁下，固定循环n次；

步骤四

对经过步骤三的待测金属试样进行第二级单级低载σ₂疲劳试验，直到试样 疲劳破坏，得到待测金属试样高载σ₁固定循环n次后，在低载σ₂、任意可靠度 α对应下的疲劳寿命，定义为剩余疲劳寿命，记为N_12α；

步骤五

利用公式（1）得到待测金属材料单级低载σ₂、任意可靠度α对应的疲劳试 验寿命伪计算值N^*_2α；

$\frac{n}{N_{1\alpha }}+\frac{N_{12\alpha }}{{N^{*}}_{2\alpha }}=1---\left(1\right)$

步骤六

利用公式（2）计算得到换算系数K；

$K=\frac{N_{2a}}{N_{2a}^{*}}---\left(2\right)$

其中N_2a为单级低载σ₂、任意可靠度α对应的疲劳试验寿命。

式（1）是经典Miner理论的概率化表达。因经典Miner理论没有考虑两级 加载的加载次序对疲劳寿命的影响，导致疲劳寿命计算精度很低，具体表现在 导致式（1）中等式右端的“1”实际在0.3～3的范围内变化，因此N^*_2α肯定不 等于真实值N_2α。本发明定义为换算系数。经过对比发现K值不随α 和n改变，而不同材料及加载方式确定有各自的K值。利用换算系数K值，在 已知单级高载荷σ₁、任意可靠度α（α范围50%～99.9%）所对应的疲劳寿命N_1α的条件下，通过二级加载快速疲劳试验能够快速得到较高精度的单级低载荷 σ₂、任意可靠度α所对应的疲劳寿命N_2α。

如对机械常用材料40Cr钢进行拉压及弯曲试验，得到40Cr钢拉压的K 值为1.8。40Cr钢弯曲的K值为1.3。对45#钢进行弯曲试验，得到45#钢弯 曲的K值为1.8。

以后如需对上述材料再作疲劳检验，只需按照以上步骤得到N^*_2α，与K值 的乘积就是真实值N_2α。数据精度比以往显著提高，且比常规的P-S-N试验方 法明显加快。

将该方法推广，可应用于各种机械常用金属材料。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明的二级加载快速疲劳试验换算系数K值的获得方法流程图。

图2为二级加载快速疲劳试验方法流程图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，40Cr钢拉压疲劳寿命，K值获得方法如下：

步骤一

对试样进行单级高载σ₁=550MPa下的对称拉压疲劳试验,得到该载荷下各 可靠度α所对应的疲劳寿命。

步骤二

确定二级加载快速疲劳试验中第一级单级高载σ₁=550MPa疲劳试验的预 循环次数n,为加快整个试验进度，n要尽可能大，但n应小于N_1，0.999=10436。 取n=8000次。

步骤三

对待测的一组金属试样进行第一级单级高载σ₁=550MPa疲劳试验，固定循 环8000次；

步骤四

对经过第一级单级高载σ₁=550MPa、8000次循环后的试样进行第二级单级 低载σ₂=460MPa的疲劳试验，得到待测金属试样各可靠度对应的剩余疲劳寿命。

步骤五

利用公式（1）计算得到待测金属试样单级低载σ₂=460MP、各可靠度对应 的疲劳寿命伪计算值

$\frac{n}{N_{1\alpha }}+\frac{N_{12\alpha }}{{N^{*}}_{2\alpha }}=1---\left(1\right)$

对待测金属试样进行单级低载σ₂疲劳试验，得到待测金属试样各可靠度对 应的寿命真实值。

步骤六

利用公式（2）计算各可靠度对应的换算系数K值。

$K=\frac{N_{2a}}{N_{2a}^{*}}---\left(2\right)$

可见k值稳定在1.60～2.11之间，基本不随可靠度明显变化。相比经典 Miner理论，计算精度显著提高。

对n取8500、9000，K值也基本没有显著变化，取均值1.8。

其中，对待测金属试样进行单级低载σ₂疲劳试验，得到待测金属试样各可 靠度对应的寿命真实值的步骤，并不限于在步骤五后。可以于步骤一开始之前 完成，也可以与步骤一、二同时进行。

如图2所示，若想对另一批40Cr钢进行拉压高低单级载荷的疲劳寿命检验， 在进行了高级单级载荷试验后，就可以用二级加载快速疲劳试验方法快速得到 单级低级载荷、各可靠度对应的疲劳寿命：

1）对待检金属试样预先进行第一级单级高载σ₁下的疲劳试验，确定固定循 环n次数；

2）对经过第一级单级高载σ₁、n次循环后的待检金属试样进行第二级单级 低载σ₂疲劳试验，得到各可靠度对应的剩余寿命。

3）利用公式(1)计算得到待检金属试样单级低载σ₂、各可靠度下的疲劳寿 命伪计算值N^*_2α

4）利用公式（2）计算得到待检金属试样单级低载σ₂、各可靠度下的疲劳 寿命真实值N_2α。

实施例2：

40Cr钢弯曲疲劳换算系数的获得及二级加载快速疲劳试验方法的应用，步 骤同实施例1，过程省略。

实施例3：

45#钢弯曲疲劳换算系数的获得及二级加载快速疲劳试验方法的应用，步骤 同实施例1，过程省略。