CN104833600A - 一种用于测试材料的疲劳强度的试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测试材料的疲劳强度的试验方法，通过并行试验高效测定材料的疲劳强度。本发明将大批量试件分为多组，在不同试验机上并行完成试验，对产生的多组试样的应力值升降图进行图形分析和数据处理，得到合成后的应力值升降图，再按常规方法求出疲劳强度的均值与方差。多组并行试验时，节约大量时间成本，而且只浪费极少的有效数据，实用可行，可用于样本数量较大时金属材料的疲劳强度试验中。

Description

一种用于测试材料的疲劳强度的试验方法

技术领域

本发明涉及测量材料的疲劳强度极限数据处理领域，特别涉及一种用于疲劳强度测试的并行升降试验法。

背景技术

材料在指定寿命下的疲劳强度通常无法直接测定。自从测定疲劳强度的升降法被提出以后，这种方法被广泛地应用于测定材料疲劳强度的随机特征，例如广泛所用的金属材料。传统的升降试验法一般采用如下的流程：

（1）估计预定寿命下试件的疲劳强度。确定试验的起始应力水平和级差。通常参考已有的相关试验数据或预试验数据确定起始应力水平，而级差则取为所估计疲劳强度的5%。

（2）在起始应力水平下进行疲劳寿命试验。

（3）如果试件在预定寿命前发生了疲劳破坏。在此应力水平下记为“破坏”，下一个试件在低一级的应力水平下进行疲劳寿命试验。如果试件达到预定寿命仍未发生破坏，本试件的试验停止，在此应力水平下记为“溢出”，下一个试件在高一级的应力水平下进行疲劳寿命试验，每一个试件的试验都依赖前一个试件的试验结果。试验的应力水平按照以上规律升高或降低重复前面的过程直到试件个数满足最小试件数的要求和升降图闭合要求。并且各级应力差在试验中要保持不变。采用升降法测定疲劳强度的关键，在于应力增量                                                的选取。一般来说，应力增量最好选择使试验在4级应力水平下进行。当已知由传统疲劳试验法测定的疲劳强度时，可取5％以内的疲劳强度作为应力增量。

通过上述流程可获得一个完整的升降图。下一个试样的加载应力值，必须参考上一个试件是“破坏”还是“溢出”，实验一般是单机连续进行。所以传统的升降试验法耗时长，样本量大时效率就非常低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种耗时短、效率高的用于测试材料的疲劳强度的试验方法。

实现本发明目的的技术方案是提供一种用于测试材料的疲劳强度的试验方法，包括如下几个步骤：

①根据测试试验的样品数分为M组，M≥2；

②第1组试样，选择循环基数，应力比r，参考材料性质选择接近于材料估计的疲劳极限的应力值进行第1件试件的试验；若循环数达到选择基数前发生破坏，则在低一级应力水平下进行第2件的试验，若仍在循环数达到选择基数前发生破坏，则再降一级应力水平进行第3次试验，若经过选择基数循环未破坏，则停止第3件的试验，升高一级应力水平，即在第2件的应力水平下进行第4次试验；以此类推，可得到应力值升降图，升降图应满足闭合条件；

③剩下的M-1组试样从第1组得到的有效应力值开始试验，选择相同的循环基数和应力比r，重复步骤①的操作，可得到应力值升降图；

④对产生的M组试样的应力值升降图进行图形分析和数据处理，得到合成后的应力值升降图，再按常规方法求出疲劳强度的均值与方差。

进一步的，步骤④中，对产生的M组试样的应力值升降图进行图形分析和数据处理，得到合成后的应力值升降图的具体过程分为2种情况：（1）两组应力值升降图都是封闭的，各自的首个有效应力值在同一应力水平上；此时只要去掉前一组数据中的最后一个数据再接上第二组有效数据即可完成应力值升降图的合成；（2）两组应力值升降图都是封闭的，各自的首个有效应力值不在同一应力水平上；此时把第二组的有效数据接到第一组上与第二组首个有效应力值同水平的某个应力值位置，舍去第一组中该位置的应力值，完成应力值升降图的合成。

进一步的，步骤④中，计算疲劳强度的均值与方差的具体方法是：采用如下公式求出持久疲劳强度极限的均值：

，

式中，为所用的最低应力水平；d为应力增量；N-试件中的成功数或失效数，取两者中较小者；，式中的i是应力水平的序号，最低应力水平的序号为0；为在相应的应力水平下发生的成功数或者失效数，取决于哪一种事件数较少；H为最高应力水平的序号；式中的“+”号用于成功事件较少时，“—”号用于失败试件较少时；

持久疲劳强度极限分布的标准差按下式估计：

式中，。

进一步的，步骤②中，参考材料性质是通过参考S- N曲线经验疲劳强度数值来选择接近于材料估计的疲劳极限的应力值。跟进一步的，选择材料估计的疲劳极限值±5%以内的应力值。

本发明具有积极的效果：本发明的一种用于测试材料的疲劳强度的试验方法将大批量试件分为多组，在不同试验机上并行完成试验。多组试件并行试验则节约大量时间成本，而且只浪费极少的有效数据，且有效减少试验随机误差的产生，实用可行，可用于样本数量较大时金属材料的疲劳强度试验。

附图说明

图1为本发明应用到实际试验中，得到的第一个有效应力值相等的两组数据升降图，即A、B两组试验数据升降图。

图2为本发明应用到实际试验中，将图1的两组数据合成后的升降图，即A、B两组合成后的数据升降图。

图3为本发明应用到实际试验中，得到的第一个有效应力值不相等的两组数据升降图，即C、D两组试验数据升降图。

图4为本发明应用到实际试验中，将图3的两组数据合成后的升降图，即C、D两组合成后的数据升降图。

具体实施方式

（实施例1）

本实施例的一种用于测试材料的疲劳强度的试验方法包括如下几个步骤：

①根据测试试验的样品数分为M组，M≥2。

②第1组试样，选择循环基数，应力比r，参考材料性质（例如参考S- N曲线经验疲劳强度数值）选择接近于材料估计的疲劳极限的应力值进行第1件试件的试验，本实施例中选择材料估计的疲劳极限值±5%以内的应力值。若循环数达到选择基数前发生破坏，则在低一级应力水平下进行第2件的试验，若仍在循环数达到选择基数前发生破坏，则再降一级应力水平进行第3次试验，若经过选择基数循环未破坏，则停止第3件的试验，升高一级应力水平，即在第2件的应力水平下进行第4次试验。以此类推，可得到应力值升降图，升降图应满足闭合条件。

③剩下的M-1组试样从第1组得到的有效应力值开始试验，选择相同的循环基数和应力比r，重复步骤①的操作，可得到应力值升降图。

④对产生的M组试样的应力值升降图进行图形分析和数据处理，得到合成后的应力值升降图，再按常规方法求出疲劳强度的均值与方差。

得到合成后的应力值升降图的具体过程分为2种情况：（1）两组应力值升降图都是封闭的，各自的首个有效应力值在同一应力水平上。此时只要去掉前一组数据中的最后一个数据再接上第二组有效数据即可完成应力值升降图的合成；（2）两组应力值升降图都是封闭的，各自的首个有效应力值不在同一应力水平上。此时把第二组的有效数据接到第一组上与第二组首个有效应力值同水平的某个应力值位置，舍去第一组中该位置的应力值，完成应力值升降图的合成。

下面结合附图对本发明进一步详细的说明。说明书附图中，“”表示“破坏”，“O”表示“溢出”。

 图1中，A组试件1和2出现相反的结果，即实验开始出现有效数据，直至试件13完成，形成封闭的应力值升降图。B组试件14和15出现相反的结果，即开始出现有效数据，直至试件24完成，形成封闭的应力值升降图。此时，两组的第一个有效应力值（试件1和试件14的加载应力）相等。

将试件13的数据舍去，同时将试件14及其后的数据接到该位置，得到A和B两组数据合成后的应力值升降图（如图2）。

图3中，C组试件1和2出现相反的结果，即实验开始出现有效数据，直至试件试件13完成，形成封闭的应力值升降图。D试件编号15和16出现相反的结果，即开始出现有效数据，直至试件25完成，形成封闭的应力值升降图。试件编号14和15出现相同的结果，试件14的数据因无效而被舍去。此时，两组的第一个有效应力值（试件1和试件15的加载应力）不相等。

图4是C和D两组数据合成后的应力值升降图。在C组升降图找到适当位置，该位置对应的应力值与D组首个有效试件15的应力值相同，即试件2的位置，将该位置的数据舍去，插入D组试件15及其后的数据，形成封闭的应力值升降图。

在确定持久疲劳强度极限分布时，假设其为正态分布。根据图2合成的应力值升降图求出持久疲劳强度极限的均值：

式中，为所用的最低应力水平；d为应力增量；N-试件中的成功数或失效数，取两者中较小者。，式中的i是应力水平的序号，最低应力水平的序号为0；为在相应的应力水平下发生的成功数或者失效数，取决于哪一种事件数较少；H为最高应力水平的序号。式中的“+”号用于成功事件较少时，“—”号用于失败试件较少时。

持久疲劳强度极限分布的标准差按下式估计：

式中，。

依据图2数据得表1：

表1 呈正态分布的持久强度极限分布参数

均值：，

标准差：。

依据图4数据得表2：

表2 呈正态分布的持久强度极限分布参数

均值：，

标准差：。

传统的升降法是后一个试件的应力值必须依据前一个试件的应力值设定，试验必须是连续进行的。这样会浪费大量的时间，导致工作效率低。与传统的升降法相比，本发明基于一种用于疲劳强度测试的并行升降试验法，可以减少试验随机误差的产生，节约大量时间。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (4)

1.一种用于测试材料的疲劳强度的试验方法，其特征在于包括如下几个步骤：

①根据测试试验的样品数分为M组，M≥2；

②第1组试样，选择循环基数，应力比r，参考材料性质选择接近于材料估计的疲劳极限的应力值进行第1件试件的试验；若循环数达到选择基数前发生破坏，则在低一级应力水平下进行第2件的试验，若仍在循环数达到选择基数前发生破坏，则再降一级应力水平进行第3次试验，若经过选择基数循环未破坏，则停止第3件的试验，升高一级应力水平，即在第2件的应力水平下进行第4次试验；以此类推，可得到应力值升降图，升降图应满足闭合条件；

③剩下的M-1组试样从第1组得到的有效应力值开始试验，选择相同的循环基数和应力比r，重复步骤①的操作，可得到应力值升降图；

④对产生的M组试样的应力值升降图进行图形分析和数据处理，得到合成后的应力值升降图，再按常规方法求出疲劳强度的均值与方差。

2.根据权利要求1所述的一种用于测试材料的疲劳强度的试验方法，其特征在于：步骤④中，对产生的M组试样的应力值升降图进行图形分析和数据处理，得到合成后的应力值升降图的具体过程分为2种情况：（1）两组应力值升降图都是封闭的，各自的首个有效应力值在同一应力水平上；此时只要去掉前一组数据中的最后一个数据再接上第二组有效数据即可完成应力值升降图的合成；（2）两组应力值升降图都是封闭的，各自的首个有效应力值不在同一应力水平上；此时把第二组的有效数据接到第一组上与第二组首个有效应力值同水平的某个应力值位置，舍去第一组中该位置的应力值，完成应力值升降图的合成。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于测试材料的疲劳强度的试验方法，其特征在于：步骤④中，计算疲劳强度的均值与方差的具体方法是：采用如下公式求出持久疲劳强度极限的均值： 

，

式中，为所用的最低应力水平；d为应力增量；N-试件中的成功数或失效数，取两者中较小者；，式中的i是应力水平的序号，最低应力水平的序号为0；为在相应的应力水平下发生的成功数或者失效数，取决于哪一种事件数较少；H为最高应力水平的序号；式中的“+”号用于成功事件较少时，“—”号用于失败试件较少时；

持久疲劳强度极限分布的标准差按下式估计：

式中，。

4.根据权利要求1至3之一所述的一种用于测试材料的疲劳强度的试验方法，其特征在于：步骤②中，参考材料性质是通过参考S- N曲线经验疲劳强度数值来选择接近于材料估计的疲劳极限的应力值。