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[摘 要]材料的应变疲劳特性能真实代表零构件应力集中部位疲劳裂纹形成寿命的一般特征，因此应变疲劳性能参数不仅是应变疲劳寿命分析的基本参数，而且是衡量材质的重要指标，它对材料的选择、机械设计、工艺和质量控制、产品性能和失效分析等都具有重要的现实意义。
[关键词]金属材料 应变疲劳 测试
中图分类号：TL425 文献标识码：TL 文章编号：1009―914X（2013）25―0353―01
由于大部分机械零件的损坏是由疲劳造成的。消除或减少疲劳失效，对于提高零件使用寿命有着重要意义。影响疲劳强度的因素很多，除设计时在结构上注意减轻零件应力集中外，改善零件表面粗糙度，可减少缺口效应，提高疲劳强度；采用表面处理，如高频淬火、表面形变强化（喷丸、滚压、内孔挤压等）、化学热处理（渗碳、渗氮、碳-氮共渗）以及各种表面复合强化工艺等，都可以改变零件表层的残余应力状态，从而使零件的疲劳强度提高[1]。
1.应变疲劳的原理
许多机械零件，如轴、齿轮、弹簧等是在循环应力和应变作用下工作的。循环应力和应变是指应力或应变的大小、方向都随时间发生周期性变化的一类应力和应变。常见的交变应力是对称循环应力，其最大值 和最小值 的绝对值相等，即 / =-l。日常生活和生产中许多零件工作时承受的应力值通常低于制作材料的屈服点或规定残余伸长应力，但是零件在这种循环载荷作用下，经过一定时间的工作后会发生突然断裂，这种现象叫做金属的疲劳。疲劳断裂与静载荷作用下的断裂不同，在疲劳断裂时不产生明显的塑性变形，断裂是突然发生的，因此，具有很大的危险性，常常造成严重的事故。据统计，损坏的机械零件中80%以上是因为疲劳造成的。因此，研究疲劳现象对于正确使用材料，合理设计机械构件具有重要的指导意义。
研究表明，疲劳断裂首先是在零件的应力集中局部区域产生，先形成微小的裂纹核心，即裂纹源。随后在循环应力的作用下，裂纹继续扩展长大。由于疲劳裂纹不断扩展，使零件的有效工作面逐渐减小，因此，零件所受应力不断增加，当应力超过材料的断裂强度时，则发生疲劳断裂，形成最后断裂区。
2.金属材料的应变疲劳的主要形式
疲劳破坏以许多不同的形式出现，包括仅有外应力或应变波动造成的机械疲劳；循环载荷同高温联合作用引起的蠕变疲劳；循环受载部件的温度也变动时引入的热机械疲劳；在存在侵蚀性化学介质或致脆介质的环境中施加反复载荷时的腐蚀疲劳；载荷的反复作用与材料之间的滑动和滚动接触相结合分别产生的滑动接触疲劳和滚动接触疲劳；脉动应力与表面间的来回相对运动和摩擦滑动共同作用产生的微动疲劳。
按照应力状态不同，疲劳可分为弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳及复合疲劳；按照环境和接触情况不同，疲劳可分为大气疲劳、腐蚀疲劳、高温疲劳、接触疲劳、热疲劳等；按照断裂寿命和应力高低不同，疲劳可分为高周疲劳和低周疲劳；高周疲劳的断裂寿命较长，断裂应力水平较低，也称低应力疲劳，一般常见的疲劳多属于高周疲劳；低周疲劳的断裂寿命较短，断裂应力水平较高，往往有塑性应变发生，也称高应力疲劳或应变疲劳[2]。
机器和结构部件的失效大多数是由于发生上述某一种疲劳过程造成的，但疲劳断裂基本形式只有两种，即由切应力引起的切断疲劳及由正应力引起的正断疲劳。切断疲劳的特点是：疲劳裂纹起源处的应力应变场为平面应力状态。初裂纹的所在平面与应力轴约成45o角，并沿其滑移面扩展。正断疲劳的特点是：疲劳裂纹起源处的应力应变场为平面应变状态，初裂纹的所在平面大致上与应力轴相垂直，裂纹沿非结晶学平面或不严格地沿着结晶学平面扩展。其他形式的疲劳断裂，都是由这两种基本形式在不同条件下的复合。
3.金属材料的应变疲劳的测试方法与控制
3.1试样设计
试样设计与应变控制和测量有着直接的关系，因此应当选择合适的试样形状，以便保证试验结果的可靠性。试样类型的选择应根据材料的各向异性或同性及抗弯等综合性能来选用等截面试样或漏斗形试样；对于各向异性的材料不宜选用漏斗形试样，因为径向控制时有可能引入较大的试验误差；对于各向同性的材料可按控制应变量的大小同时选用等截面和漏斗形两种试样类型。一般控制总应变范围4ε，在2%以下时，选用等截面试样，而当△ε，大于2%时，选用漏斗形试样。试样工作部分的直径/不宜选择得太小，因为d太小会相对降低试验机的载荷和同心度的精度，故推荐最小的试样直径为6.5mm；最大的试样直径可根据试验机的最大载荷容量和材料的强度（要考虑循环硬化强度）来决定。在贵重金属或在较小尺寸产品的零构件上取样，当试验机精度和应变传感器灵敏度均能满足要求的条件时，允许选用最小试样的直径小于6.5mm。选择试样直径矗与漏斗形试样侧面圆弧半径只d之间的比例关系时，应当注意，Rd/d的比例太大会使试样承受压应变的能力降低；与光滑试样相比，Rd/d比例太小则会引入不必要的应力集中系数。这里推荐Rd/d为6±2，根据实际使用要求也可采用8：l和16：1之间的各种比例。试样与试验机夹具的连接端部的设计主要取决于试验机的要求，井可根据试验机的装卡形式采用图3。1以外的任何连接方式，如螺纹连接、凸台连接等。但是最重要的是必须满足同心度的要求，即装卡试样要求在其承受拉、压载荷过程中试样与夹具之间的间隙最小，以保证试样不在夹具中破坏[3]。
3.2试样加工与测量
（1）试样加工。为了提高试骀数据的可靠性，必须十分精细地加工试样，在加工试样中要求试样截面的不圆度小于0.005，试样的同心度小于0.02mm。因为试样表面状态对试验数据有直接的影响，所以对试样表面光洁度提出了较严格的要求，我们建议采用使试样表面层产生最小畸变的机械加工或抛光方法作为最后工序（必须清除机械加工中的周向切削痕迹），或者采用与实际使用零构件表面加工方法一致的最后加工工序，在加工等截面试样的过程中，要求试样端部与工作部分的直径之间的过渡圆弧应当平滑，不得有凹陷，否则试样容易断在该处。另外在加工试样时不应使试样产生过热、冷作硬化和宏观可见的表面划伤。（2）试样测量。对于变截面的漏斗形试样直径的测量，我们建议采用读数精度为0.0lmm的光学投影仪进行测量，也可采用其它相同读数精度的光学方法测量，也可采用其它相同读数精度的光学方法测量。
3.3应变控制方式
在计算一条完整的应变-寿命曲线时，必须注意选用合理的应变控制方式。一般应变控制方式有两种，即轴向和径向应变控制。
轴向应变控制可以得到比较大的位移量，控制精度较高；但是当标距长度L与试样直径d的比值大于3时，应变控制范围必须小于2%，否则在大的压应变下试样将发生弯曲，引起试样寿命降低。因此，当应变控制范围大于2%时，选择径向应变控制为宜。
径向应变控制可以使材料产生相当大的压应变而试样不发生弯曲，但是由于材料的循环硬化或软化，将引起径向应变控制与轴向应变控制不等效的结果。
结论
所以对于循环应变硬化或软化极端明显的材料，不宜采用恒径向应变控制方式，而用模拟计算机把径向应变转换成轴向应变，使轴向应变范围保持恒定不变。
参考文献
[1] 吴海利，朱月梅，贾国庆. X12CrMoWVNbN10-1-1转子钢室温低周疲劳特性[J]. 北京科技大学学报，2011（07）
[2] 史耀武，史轩. 工程机械用800MPa低合金高强度钢焊接接头低周疲劳性能研究[J]. 兵器材料科学与工程，2011（01）
[3] 郝富杰. 概述金属疲劳产生的原因及影响因素[J]. 山西建筑，2011（11）
[4] 罗云蓉，王清远，刘永杰，黄崇湘. Q235、Q345钢结构材料的低周疲劳性能[J]. 四川大学学报（工程科学版），2012（02）
[关键词]金属材料 应变疲劳 测试
中图分类号：TL425 文献标识码：TL 文章编号：1009―914X（2013）25―0353―01
由于大部分机械零件的损坏是由疲劳造成的。消除或减少疲劳失效，对于提高零件使用寿命有着重要意义。影响疲劳强度的因素很多，除设计时在结构上注意减轻零件应力集中外，改善零件表面粗糙度，可减少缺口效应，提高疲劳强度；采用表面处理，如高频淬火、表面形变强化（喷丸、滚压、内孔挤压等）、化学热处理（渗碳、渗氮、碳-氮共渗）以及各种表面复合强化工艺等，都可以改变零件表层的残余应力状态，从而使零件的疲劳强度提高[1]。
1.应变疲劳的原理
许多机械零件，如轴、齿轮、弹簧等是在循环应力和应变作用下工作的。循环应力和应变是指应力或应变的大小、方向都随时间发生周期性变化的一类应力和应变。常见的交变应力是对称循环应力，其最大值 和最小值 的绝对值相等，即 / =-l。日常生活和生产中许多零件工作时承受的应力值通常低于制作材料的屈服点或规定残余伸长应力，但是零件在这种循环载荷作用下，经过一定时间的工作后会发生突然断裂，这种现象叫做金属的疲劳。疲劳断裂与静载荷作用下的断裂不同，在疲劳断裂时不产生明显的塑性变形，断裂是突然发生的，因此，具有很大的危险性，常常造成严重的事故。据统计，损坏的机械零件中80%以上是因为疲劳造成的。因此，研究疲劳现象对于正确使用材料，合理设计机械构件具有重要的指导意义。
研究表明，疲劳断裂首先是在零件的应力集中局部区域产生，先形成微小的裂纹核心，即裂纹源。随后在循环应力的作用下，裂纹继续扩展长大。由于疲劳裂纹不断扩展，使零件的有效工作面逐渐减小，因此，零件所受应力不断增加，当应力超过材料的断裂强度时，则发生疲劳断裂，形成最后断裂区。
2.金属材料的应变疲劳的主要形式
疲劳破坏以许多不同的形式出现，包括仅有外应力或应变波动造成的机械疲劳；循环载荷同高温联合作用引起的蠕变疲劳；循环受载部件的温度也变动时引入的热机械疲劳；在存在侵蚀性化学介质或致脆介质的环境中施加反复载荷时的腐蚀疲劳；载荷的反复作用与材料之间的滑动和滚动接触相结合分别产生的滑动接触疲劳和滚动接触疲劳；脉动应力与表面间的来回相对运动和摩擦滑动共同作用产生的微动疲劳。
按照应力状态不同，疲劳可分为弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳及复合疲劳；按照环境和接触情况不同，疲劳可分为大气疲劳、腐蚀疲劳、高温疲劳、接触疲劳、热疲劳等；按照断裂寿命和应力高低不同，疲劳可分为高周疲劳和低周疲劳；高周疲劳的断裂寿命较长，断裂应力水平较低，也称低应力疲劳，一般常见的疲劳多属于高周疲劳；低周疲劳的断裂寿命较短，断裂应力水平较高，往往有塑性应变发生，也称高应力疲劳或应变疲劳[2]。
机器和结构部件的失效大多数是由于发生上述某一种疲劳过程造成的，但疲劳断裂基本形式只有两种，即由切应力引起的切断疲劳及由正应力引起的正断疲劳。切断疲劳的特点是：疲劳裂纹起源处的应力应变场为平面应力状态。初裂纹的所在平面与应力轴约成45o角，并沿其滑移面扩展。正断疲劳的特点是：疲劳裂纹起源处的应力应变场为平面应变状态，初裂纹的所在平面大致上与应力轴相垂直，裂纹沿非结晶学平面或不严格地沿着结晶学平面扩展。其他形式的疲劳断裂，都是由这两种基本形式在不同条件下的复合。
3.金属材料的应变疲劳的测试方法与控制
3.1试样设计
试样设计与应变控制和测量有着直接的关系，因此应当选择合适的试样形状，以便保证试验结果的可靠性。试样类型的选择应根据材料的各向异性或同性及抗弯等综合性能来选用等截面试样或漏斗形试样；对于各向异性的材料不宜选用漏斗形试样，因为径向控制时有可能引入较大的试验误差；对于各向同性的材料可按控制应变量的大小同时选用等截面和漏斗形两种试样类型。一般控制总应变范围4ε，在2%以下时，选用等截面试样，而当△ε，大于2%时，选用漏斗形试样。试样工作部分的直径/不宜选择得太小，因为d太小会相对降低试验机的载荷和同心度的精度，故推荐最小的试样直径为6.5mm；最大的试样直径可根据试验机的最大载荷容量和材料的强度（要考虑循环硬化强度）来决定。在贵重金属或在较小尺寸产品的零构件上取样，当试验机精度和应变传感器灵敏度均能满足要求的条件时，允许选用最小试样的直径小于6.5mm。选择试样直径矗与漏斗形试样侧面圆弧半径只d之间的比例关系时，应当注意，Rd/d的比例太大会使试样承受压应变的能力降低；与光滑试样相比，Rd/d比例太小则会引入不必要的应力集中系数。这里推荐Rd/d为6±2，根据实际使用要求也可采用8：l和16：1之间的各种比例。试样与试验机夹具的连接端部的设计主要取决于试验机的要求，井可根据试验机的装卡形式采用图3。1以外的任何连接方式，如螺纹连接、凸台连接等。但是最重要的是必须满足同心度的要求，即装卡试样要求在其承受拉、压载荷过程中试样与夹具之间的间隙最小，以保证试样不在夹具中破坏[3]。
3.2试样加工与测量
（1）试样加工。为了提高试骀数据的可靠性，必须十分精细地加工试样，在加工试样中要求试样截面的不圆度小于0.005，试样的同心度小于0.02mm。因为试样表面状态对试验数据有直接的影响，所以对试样表面光洁度提出了较严格的要求，我们建议采用使试样表面层产生最小畸变的机械加工或抛光方法作为最后工序（必须清除机械加工中的周向切削痕迹），或者采用与实际使用零构件表面加工方法一致的最后加工工序，在加工等截面试样的过程中，要求试样端部与工作部分的直径之间的过渡圆弧应当平滑，不得有凹陷，否则试样容易断在该处。另外在加工试样时不应使试样产生过热、冷作硬化和宏观可见的表面划伤。（2）试样测量。对于变截面的漏斗形试样直径的测量，我们建议采用读数精度为0.0lmm的光学投影仪进行测量，也可采用其它相同读数精度的光学方法测量，也可采用其它相同读数精度的光学方法测量。
3.3应变控制方式
在计算一条完整的应变-寿命曲线时，必须注意选用合理的应变控制方式。一般应变控制方式有两种，即轴向和径向应变控制。
轴向应变控制可以得到比较大的位移量，控制精度较高；但是当标距长度L与试样直径d的比值大于3时，应变控制范围必须小于2%，否则在大的压应变下试样将发生弯曲，引起试样寿命降低。因此，当应变控制范围大于2%时，选择径向应变控制为宜。
径向应变控制可以使材料产生相当大的压应变而试样不发生弯曲，但是由于材料的循环硬化或软化，将引起径向应变控制与轴向应变控制不等效的结果。
结论
所以对于循环应变硬化或软化极端明显的材料，不宜采用恒径向应变控制方式，而用模拟计算机把径向应变转换成轴向应变，使轴向应变范围保持恒定不变。
参考文献
[1] 吴海利，朱月梅，贾国庆. X12CrMoWVNbN10-1-1转子钢室温低周疲劳特性[J]. 北京科技大学学报，2011（07）
[2] 史耀武，史轩. 工程机械用800MPa低合金高强度钢焊接接头低周疲劳性能研究[J]. 兵器材料科学与工程，2011（01）
[3] 郝富杰. 概述金属疲劳产生的原因及影响因素[J]. 山西建筑，2011（11）
[4] 罗云蓉，王清远，刘永杰，黄崇湘. Q235、Q345钢结构材料的低周疲劳性能[J]. 四川大学学报（工程科学版），2012（02）