铁道车辆的车轴 车轴是轮对的主要配件，它除了车轮组成轮对外，两端还要与轴箱油润装置配合，保证车辆安全运行。按其使用轴承的不同，车轴分为滑动轴承车轴和滚动轴承车轴。目前，我国铁路货车轮对绝大部分都采用滚动轴承及滚动轴承车轴，但也有极少数车辆还在使用滑动轴承车轴及滑动轴承(一般为重载车辆所使用)。 一、车轴各部名称及功用 (一)滚动轴承车轴 滚动轴承车轴如图1-2所示。 图1-2 滚动轴承车轴 1－中心孔；2－轴端螺栓孔；3－轴颈；4－卸荷槽；5－轴颈后肩；6－防尘挡圈座 7－轮座前肩；8－轮座；9－轮座后肩；10－轴身；11－轴端倒角 1．中心孔：加工车轴和组装、加工轮对时机床顶针孔支点，并可以作为校对轴颈、车轮圆度的中心。 2．轴端螺栓孔：安装轴承前盖或压板，防止滚动轴承外移窜出，如图2-2(b)所示。 3．轴颈：安放轴承，承受垂直载荷。 4．卸荷槽：为磨削轴颈时便于砂轮退刀，起退刀槽的作用，可以减少轴承内圈组装后与此处相互间的接触应力，有利于提高此处的疲劳强度，如图2-2(c)所示。 5．轴颈后肩：轴颈与防尘挡圈座间的过渡圆弧，可防止应力集中。 6．防尘挡圈座：安装防尘挡圈并限制滚动轴承后移。 7．轮座前肩：防尘挡圈座与轮座之间的过渡圆弧，可防止应力集中。 8．轮座：固定车轮，是车轴的最大受力部分。 9．轮座后肩：轮座与轴身之间的过渡圆弧，可防止应力集中。 10．轴身：车轴中间连接部分。 11．轴端倒角：轴端部设有1:10的倒角，其作用是在压装滚动轴承时起引导作用。
(二)滑动轴承 滑动轴承车轴与滚动轴承车轴各部名称与功用基本相同，所不同的有以下几点： 1．增设轴领：主要是防止轴瓦外移。 2．轴颈：安装滑动轴承的轴瓦。 3．没有轴端螺栓孔。 4．没有卸荷槽。 二、货车车轴型号 铁道部在新修订的车轴形式尺寸标准(GB 12814-1991)中，规定我国铁路货车用标准型滚动轴承车轴有四种，即RB2、RC2、RD2、RE2型滚动轴承车轴；标准滑动轴承车轴中现在还存使用的有四种，即D、E、F、G型滑动轴承车轴。滑动轴承现在主要用于重载车辆上，因此滑动轴承车轴都是大轴重车轴。各型货车车轴的轴重、各部主要尺寸和车轴的基本尺寸如表1-1、表1-2、表1-3及图1-3所示。 表1-1 表1-2 表1-3
高温旋转弯曲疲劳试验机用于对黑色金属及其合金材料在室温及高温条件下进行小试样悬臂纯弯曲疲劳试验，测定金属圆形横截面试样在旋转状态下承受弯曲力矩时的疲劳性能。 高温旋转弯曲疲劳试验机Rotary bending fatigue testing machine 1 试验机介绍 馥勒高温旋转疲劳弯曲试验机由FL疲劳试验机架、交流高速电机及驱动器，测控系统、加载砝码、高温炉及控制器、高温试验夹具、润滑装置、保护装置等组成，用于对黑色金属及其合金材料在室温及高温条件下进行小试样悬臂纯弯曲疲劳试验，测定金属圆形横截面试样在旋转状态下承受弯曲力矩时的疲劳性能。 2 试验机方法 Q/FL-2019《材料疲劳试验方法》 3 试验标准方法 满足HB 5153-1996 金属高温旋转弯曲疲劳试验方法 HB 5152-1996 金属室温旋转弯曲疲劳试验方法 GB/T 4337-2008 金属材料疲劳试验旋转弯曲方法 JJG 652-2012 旋转弯曲疲劳试验机检定规程 4 主要技术规格参数 依据测试需求，选择相应的技术规格型号参数等 5 试验机规格型号 FLXPL25、FLXPL300
6 加载负荷 25N、300N 7 精度 ±0.1％ 8 加载力臂 214mm 9 旋转速度 1500r/min～10000r/min，无级调速10 转速波动度 ±0.5%FS 11 弯矩误差 ±1% 12 载荷精度误差 ±1% 13
加力点静态径向跳动量 0.01mm 14 加力点动态径向跳动量 0.05mm 15 高温范围 300度~1000℃ 16 试验夹具选择 专用高温试验夹具，采用弹性前后夹头夹持试样，夹头与主轴弹性筒夹连接，可实现精密配合 17 适用材料 金属材料、高温合金材料等 18 测试控制器 馥勒旋转弯曲测控控制器 19 馥勒疲劳机触控操作 配有触摸屏操作及显示面板用于完成所有控制参数的设置、所有测量数据的显示及所有的试验操作；配有与计算机通讯的网络接口，当配计算机时，可实现计算机对单台设备的测控或对多台设备的组网测控；试验周次可以任意设定，达到设定值可自动停机。 19
影响钢丝绳弯曲疲劳试验的因素分析 张钫张平萍 （国家金属制品质量监督检验中心郑州450007） 摘要本文通过对钢丝绳弯曲疲劳机的选择，弯曲滑轮，试样弯曲频率、包角，张力等影响钢丝绳弯曲疲劳试验结论的几个重要因素进行了分析，根据质检中心日常试验过程中对钢丝绳弯曲疲劳试验方式的总结，建议用户进行钢丝绳弯曲疲劳试验时应模拟钢丝绳使用现场的情况。 关键词钢丝绳，弯曲疲劳试验机，GB/T12347-1996 The application of steel wire rope—Bending flatigue testing Zhang Fang Zhang Pinping (China National Steel Wire Products Quality Supervision & Testing Center zhengzhou 45 0007) Abstract The paper analysis the selection of the bending flatigue machine,be nding pulley, the frequency of sample bending , the angle of steel wire rope r evolving around the bending pulley, the tension of steel wire rope ect. These factors are important for the result of the steel wire rope—bending flatigue test ing. According to the test of steel wire rope—bending flatigue in our ordinary work,we pose the suggestion for user that the steel wire rope—bending flatigu e testing should simulate the scene of the steel wire rope using. Keywords steel wire rope, the machine of steel wire rope –Bending flating te sting, GB/T12347-1996 随着社会的发展和科技的进步，钢丝绳的使用场合越来越多。钢丝绳的弯曲疲劳寿命成为许多工程设计和使用人员关心的问题。我国现行的GB/T12347-1996规定了钢丝绳弯曲疲劳试验方法。它作为一种通用的钢丝绳弯曲疲劳试验方法的标准，并未完全包罗所有的钢丝绳弯曲疲劳类型，同一根钢丝绳的具体使用场合不同，使用的方式不相同，那么它的弯曲疲劳寿命也不相同。在实验室为了更加逼真的反映钢丝绳弯曲疲劳寿命，就要求我们的钢丝绳弯曲疲劳试验方法也不能完全按照GB/T12347-1996执行,应该在理解GB/T12347-1996的基础上加以应用。 钢丝绳广泛使用在煤矿，港口，航空，航天，汽车，摩托车等许多重要的场合。钢丝绳的疲劳试验如果完全按照现行的标准去实施，那么其试验结果将难以准确的反映应用情况。为此从以下几个方面进行讨论：
旋转纯弯曲疲劳试验机 测量结果的不确定度评定 1 概述 规程规定采用三等标准测力仪（配合专用检具使用）、千分尺来检定旋转纯弯曲疲劳试验机的弯矩。通过被检试验机弯矩值和标称值的相对误差，根据规程来判定被检试验机是否合格。因此，要对这个弯矩的相对误差进行不确定度评估。 1.1 检定方法 依据《旋转纯弯曲疲劳试验机》规程规定，为了方便描述，以下简称试验机。 1.2 环境条件 室温10℃～35℃，检定过程中环境温度变化不大于2℃/h 。 相对湿度不大于80%， 1.3 弯矩检定装置 弯矩检定装置为准确度等级不低于0.3级的标准测力仪（配合专业检具使用）、千分尺。 1.4 检定对象 《旋转纯弯曲疲劳试验机》规程适用的试验机。 2 弯矩测量结果的不确定度评定 2.1 数学模型 F L M = (1) 式中： M ——试验机弯矩值，单位为牛米（Nm ）； L ——试验机的力臂长度测量值，单位为（mm ） F ——试验力的测量值，单位为牛（N ） 。 按照不确定度传递率，M 的相对合成不确定度)(M u c 按公式（2）计算： 22))(())(()(F F u L L u M u crel += (2) 式中：)(M u crel ——试验机扭矩值的相对合成不确定度； )(L u ——力臂长度允许误差引起的标准不确定度分量； )(F u ——试验力测得值引起的标准不确定度分量； F ——标称力值； L ——标称力臂长度。 2.2 测量不确定度来源 2.2.1 由力臂长度允许误差引入的标准不确定度分量)(L u 的评定：
通过B 类方法进行评定，已知规程规定力臂长度的允许误差为±0.3%L ,半宽度为a=0.3%L ，估计其为正态分布。因此，由此引入的标准不确定度分量为L L L u %058.033%3.0)(== （3） 2.2.2 由试验力重复性引入的标准不确定度分量)(F u 的评定： 通过A 类方法进行评定，由于测量次数仅3次，所以采用极差法进行评定，当3=n 时，69.1=n d ，估计其为均匀分布，取3=k 。可得由试验力重复性引入的标准不确定度分量)(F u 为： F F F F u ?=-=342.03 69.1)(min max （4） 由于每次及每台试验机的力值测量重复性是不同的，但规程规定必须是在的(0～0.01)F 范围内。因此，公式（4）可以变换为下式： xF F F F u 342.03 69.1)(min max =-= （5） 式中：x ——重复性系数，0～0.01之间。 将公式（3）和（5）代人(2),得 ()()2 222342.000058.0342.000058.0)(x F xF L L M u crel +=??? ??+??? ??= （6） 分两种极端情况；得弯矩相对合成不确定度结果： 0=x 时 ()()% 058.000058 .0342.000058.0342.000058.0)(2222==+=?? ? ??+??? ??=x F xF L L M u crel 01.0=x 时 ()()% 35.0342.000058.0342.000058.0)(222 2=+=??? ??+??? ??=x F xF L L M u crel 实际日常检定工作中，006.0~002.0=x 左右，如果取中间数004.0=x 代人公式（6），弯矩的相对合成不确定度结果也只有：
钢丝绳弯曲疲劳试验作业指导书 进行钢丝绳弯曲疲劳试验检测必须以GB/T12347-2008等现行有效标准及相关标准和现行有效的《煤矿安全规程》等为依据。 1、接样： 1.1办公室负责对客户新近批量订购到货的钢丝绳接受委托检验。 1.2接样时请客户出具出厂证明书、订货合同、提货单等资料、并填写 本中心/站申请书。 2、试样要求 2.1 试样应从外观检查合格的钢丝绳上截取。 2.2钢丝绳直径20~26.5mm的试样最小长度为2倍轮距+圆周长=12.5m, 钢丝绳直径26.5~32.5mm的试样最小长度为15.5m，若为绳卡固定， 还要加上卡绳段长度。由于需要留备样长度，20~26.5mm的试样长 度需26m, 直径为26.5~32.5mm的试样长度需32m。 2.3 试样两端在截取之前应用软金属丝或专用夹头固紧。 3、备样 3.1 对客户的钢丝绳送检、报验样品进行登记、编号、标识。 3.2对钢丝绳进行外观检查，新绳要注意压痕、跳丝、松散、露麻等主要 缺陷，旧绳要注意磨损、断丝、锈蚀、绳芯干硬糟烂等主要情况，并 记录在案。 3.3依据钢丝绳直径和标准中的规定截取钢丝绳长度，直径为20-26.5mm 的钢丝绳截取13m，直径为26.5-32.5mm的钢丝绳截取16m。 3.4对剩余样的剩余部分在编号、标识后存贮保管，期限为检验检测周期。 3.5 实验前，应用沾有煤油或其他溶剂的棉纱将试样表面的油污擦掉,但 允许钢丝绳股间存在少量油脂。 4、试验机 4.1钢丝绳弯曲疲劳试验是钢丝绳试样以一定的包角绕过试验轮，并对其 施加张力，以一定的频率反复弯曲，考核钢丝绳承受弯曲疲劳的性能。 4.2根据最新《钢丝绳弯曲疲劳试验方法》进行钢丝绳弯曲疲劳检测。 4.3选用的弯曲疲劳试验机应该是“绿色”标识且在检定周期内的试验机。
常用钢材的牌号、性能与用途
钢管的品名分类 详细品 名 材质高强弹 簧钢 50CrV4，50CrVA 弹簧钢51CrMoV4，51CrV4，60CrMnA， 60CrMnA，60Si2CrA 60Si2CrVA ，60Si2MnA，70S，60Si2Mn 77-82B 50-51CrV4，50CrMnVA，55Cr3， 52CrMnV4，55CrMnA 55SiMnVB，60CrMnB， 弹簧扁 钢 SAE5160(H)，SA387Cr12，9SUP 工具钢40-60CrNi 高强度 标准件B7
合金管 25MV，30-36Mn2V 坯 不锈钢4130X 合金结 42CrMo，20Mn2 构钢 碳素结 16-50Mn 构钢 钢连铸 CL60(H) 圆管坯 锅炉钢20G 保淬透 22CrMoH 性钢 齿轮钢SCM822H3，SGl 2 传动轴 48MnV，C56E2，CF53 用钢 淬透性
钢 非调质 机械结 构钢 F45V 高强矿 用圆钢 23MnNiMoCr5 高压锅 炉钢板 15MoG 高压锅炉管坯 钢SA-210Al，SA-210C，SA-213T11，SA-213T12，SA-213T2 SA-213T22，SA-213T23，SA-213T91 工程机械用钢IE0669，IE0963，IE1106，IE1158M IE1287，IE2892 工具钢42CrMo4 27SiMnV，09MnD，9MnD，12Cr1MoV 18CD4，28Mn6
合金结构钢40Cr，20-50Cr，20-45Mn2，20CrMnTi 20CrMo，20CrMoM 20CrNiMo，20Mn2B，20MnTiB， 20MnVB，40CrNiMoA SCM435H，SCM440，35-42CrMo，28MnCrMo，30CrMnSiA 30Mn2，37CrMnMoA，4145H， 42CrMoHA，40Mn2(退火） 合金结 构管坯 33-36Mn2V，34CrMn4（方钢），37Mn5 冷拉钢- 削切钢 SAE1117 链条钢23MnNiMoCr54，25MnV 耐硫酸露点腐蚀用钢08Cr2AlMo，09CrCuSb(ND)，9CrCuSb(ND)
金属疲劳试验主讲教师:
一、实验目的 1. 了解疲劳试验的基本原理。 2. 掌握疲劳极限、S-N曲线的测试方 法。
二、实验原理 1．疲劳抗力指标的意义 目前评定金属材料疲劳性能的基本方法就是通过试验测定其S-N曲线(疲劳曲线)，即建立 最大应力σ max 或应力振幅σ α 与其相应的断裂 循环周次N之间的关系曲线。不同金属材料的S-N曲线形状是不同的，大致可以分为两类，如图1所示。其中一类曲线从某应力水平以下开始出现明显的水平部分，如图1(a)所示。这表明当所加交变应力降低到这个水平数值时，试样可承受无限次应力循环而不断裂。
这表明当所加交变应力降低到这个水平数值时，试样可承受无限次应力循环而不断裂。因此将水平部分所对应的应力称之为金属的疲劳极限，用符号σ R 表示(R为最小应力与最大应力之比，称为应力比)。若试验在对称循环应力(即R=-1)下进行，则其疲劳 极限以σ -1表示。中低强度结构钢、铸铁等材料的S- N曲线属于这一类。对这一类材料在测试其疲劳极限时，不可能做到无限次应力循环，而试验表明，这类材料在交变应力作用下，如果应力循环达到107周次不断裂，则表明它可承受无限次应力循环也不会断裂，所以对这类材料常用107周次作为测定疲劳极限的基数。另一类疲劳曲线没有水平部分，其特点是随应力降低，循环周次N不断增大，但不存在无限寿命。如图1(b)所示。在这种情况下，常根据实际需要定出一定循环周次(108或5×107…)下所对应的应力作为金属材料的“条件疲劳极限”，用符号σ R(N) 表示。
2．S-N 曲线的测定 (1) 条件疲劳极限的测定 测试条件疲劳极限采用升降法，试件取13根以上。每级应力增量取预计疲劳极限的5％以内。第一根试件的试验应力水平略高于预计疲劳极限。根据上根试件的试验结果，是失效还是通过（即达到循环基数不破坏）来决定下根试件应力增量是减还是增，失效则减，通过则增。直到全部试件做完。第一次出现相反结果（失效和通过，或通过和失效）以前的试验数据，如在以后试验数据波动范围之外，则予以舍弃；否则，作为有效数据，连同其他数据加以利用，按下列公式计算疲劳极限： ()11n R N i i i v m σσ==∑ 1
收藏【技术类】 金属疲劳断口的宏现形状特征 (2011-1-21 13:38:36) 疲劳断口保留了整个断裂过程的所有痕迹，记录了很多断裂信息。具有明显区别于其他任何性质断裂的断口形貌特征，而这些特征又受材料性质、应力状态、应力大小及环境因素的影响，因此对疲劳断口分析是研究疲劳过程、分析疲劳失效原因的重要方法。 一个典型的疲劳断口往往由疲劳裂纹源区、疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区三个部分组成，具有典型的“贝壳”状或“海滩”状条纹的特征，这种特征给疲劳失效的鉴别工作带来了极大的帮助。 1、疲劳裂纹源区 疲劳裂纹源区是疲劳裂纹萌生的策源地，是疲劳破坏的起点，多处于机件的表面，源区的断口形貌多数情况下比较平坦、光亮，且呈半圆形或半椭圆形。因为裂纹在源区内的扩展速率缓慢，裂纹表面受反复挤压、摩擦次数多，所以其断口较其他两个区更为平坦，比较光亮。在整个断口上与其他两个区相比，疲劳裂纹源区所占的面积最小。 当表面承受足够高的残余压应力或材料内部存在严重的冶金缺陷时，裂纹源则向次表面或机件内部移动。有时在疲劳断口上也会出现多个裂纹源，每个源区所占面积往往比单个源区小，源区断口特征不一定都具有像单个源区那样典型的形貌。裂纹源的数目取决于材料的性质、机件的应力状态以及交变载荷状况等。通常，应力集中系数越大，名义应力越高，出现疲劳源的数目就越多，如低周疲劳断口上常有几个位于不同位置的疲劳裂纹源区。 当零件表面存在某类裂纹时，则零件无疲劳裂纹萌生期，疲劳裂纹在交变载荷作用下直接由该类裂纹根部向纵深扩展，这时断口上不再出现疲劳源区，只有裂纹扩展区和瞬时断裂区。 2、疲劳裂纹扩展区 疲劳裂纹扩展区是疲劳裂纹形成后裂纹慢速扩展形成的区域，该区是判断疲劳断裂的最重要特征区域，其基本特征是呈现贝壳花样或海滩花样，它是以疲劳源区为中心，与裂纹扩展方向相垂直的呈半圆形或扇形的弧形线，又称疲劳弧线。疲劳弧线是裂纹扩展过程中，其顶端的应力大小或状态发生变化时，在断裂面上留下的塑性变形的痕迹。 贝纹花样是由载荷变动引起的，因为机器运转时不可避免地常有启动、停歇、偶然过载等，均可留下塑性变形的痕迹一贝纹线（疲劳弧线）。贝纹线的清晰度不仅与材料的性质有关，而且与介质情况、温度条件等有关，材料的塑性好、温度高、有腐蚀介质存在时，则弧线清晰。所以，这种弧线特征总是出现在实际机件的疲劳断口中，而在实验室的试件疲劳断口中很难看到明显的贝纹线，此时疲劳断口表面由于多次反复压缩而摩擦，使该区变得光滑，呈细晶状，有时甚至光洁得像瓷质状结构。一般贝纹线常见于低应力高周疲劳断口中，而低周疲劳以及许多高强度钢、灰铸铁中观察不到此种贝纹状的推进线。 贝纹线与裂纹扩展方向垂直，它可以是绕着裂纹源向外凸起的弧线，表示裂纹沿表面扩展较慢，即材料对缺口不敏感，例如低碳钢；相反，若围绕裂纹
疲劳试验（fatigue test）利用金属试样或模拟机件在各种环境下，经受交变载荷循环作用而测定其疲劳性能判据，并研究其断裂过程的试验，即为金属疲劳试验。 1829年德国人阿尔贝特(J.Albert)为解决矿山卷扬机服役过程中钢索经常发生突然断裂，首先以10次/分的频率进行疲劳试验。1852～1869年德国人沃勒(A.W hler)为研究机车车辆,开始以15次／分的频率对车辆部件进行拉伸疲劳试验，以后又用试样以72次/分的频率在旋转弯曲疲劳试验机进行旋转弯曲疲劳试验，他的功绩是指出一些金属存在疲劳极限，并将疲劳试验结果绘成应力与循环周次关系的S-N曲线（图1），又称为W hler曲线。1849年英国人古德曼(J.Goodman)首先考虑了平均应力不为零时非对称载荷下的疲劳问题，并提出耐久图，为金属制件的寿命估算和安全可靠服役奠定理论基础。1946年德国人魏布尔(W.Weibull)对大量疲劳试验数据进行统计分析研究，提出对数疲劳寿命一般符合正态分布（高斯分布），阐明疲劳测试技术中应采用数理统计。 60年代初，从断裂力学观点分析金属疲劳问题，进一步扩大了疲劳研究内容。近年来，由于电液伺服闭环控制疲劳试验机的出现以及近代无损检验技术、现代化仪器仪表等新技术的采用，促进了金属疲劳测试技术的发展。今后应着重各种不同条件(特别是接近服役条件)下金属及其制件的疲劳测试技术的研究。 试验种类和判据 金属疲劳试验种类很多，通常可分为高周疲劳、低周疲劳、热疲劳、冲击疲劳、腐蚀疲劳、接触疲劳、声致疲劳、真空疲劳、高温疲劳、常温疲劳、低温疲劳、旋转弯曲疲劳、平面弯曲疲劳、轴向加载疲劳、扭转疲劳、复合应力疲劳等。应根据金属制件的服役（工作）条件来选择适宜的疲劳试验方法，测试条件要尽量接近服役条件。进行金属疲劳试验的目的在于测定金属的疲劳强度（抗力），由于试验条件不同，表征金属疲劳强度的判据（指标）也不一样。 高周疲劳：高周疲劳时，金属疲劳强度判据是疲劳极限(或条件疲劳极限)即金属经受“无限”多次(或规定周次)应力循环而不断裂的最大应力，以σr表示，其中γ为应力比，即循环中
nCode 疲劳耐久性工程高级培训班课程 实用疲劳理论 实用疲劳理论 ?材料的物理性能 ?疲劳载荷 ?应力寿命（S-N）法 ?局部应变法（e-N） 1?2007 nCode 什么是金属疲劳？ What is Fatigue?
Quiz 1: ?How can you break a metal spoon? Quiz 2: ?How can you break a ceramic spoon? Quiz 3: ?Why a metal spoon can be broken, and a ceramic spoon cannot?
金属疲劳失效的原因是什么？ ?外因：载荷的变化 ?内因：金属中有位错 什么是金属疲劳？ ?疲劳是一种机械损伤过程， 在这一过程中即使名义应力 低于材料的屈服强度，载荷 的反复变化也将引起失效 ?疲劳一般包含裂纹萌生和随 后的裂纹扩展两个过程，循 环塑性变形是金属产生疲劳 的主要原因 什么是金属疲劳？ Quiz 4: ?Can you name a metal fatigue failure you experienced?
飞机空难(The De Havilland Comet Story) ?The first passenger jet airliner (1949 -1980) ?Suffered two tragic air accidents due to fatigue failure ?68 people killed as a result ?Order books fell by 50 aircraft ?Ultimately heralded the collapse of the British civil aircraft industry 火车出轨 汽车零部件失效 ?Truck frame ?Manifold ?Bracket ?Crankshaft ?Brake ?Exhaust pipe ?Wheel ?…
铝合金疲劳实验 李慕姚 1351626 一﹑实验目的 1. 观察疲劳失效现象和断口特征。 2. 了解测定材料疲劳极限的方法。 二、实验设备 1. 疲劳试验机。 2. 游标卡尺。 三﹑实验原理及方法 在交变应力的应力循环中，最小应力和最大应力的比值 r=m ax m in σσ （2-16） 称为循环特征或应力比。在既定的r 下，若试样的最大应力为σ1 m ax ，经历N 1次循环后，发生疲劳失效，则N 1称为最大应力为σ1m ax 时的疲劳寿命（简称寿命）。实验表明，在同一循环特征下，最大应力越大，则寿命越短；随着最大应力的降低，寿命迅速增加。表示最大应力σmax 与寿命N 的关系曲线称为应力-寿命曲线或S-N 曲线。碳钢的S-N 曲线如图2－31所示。从图线看出，当应力降到某一极限值σr 时，S-N 曲线趋近于水平线。即应力不超过σr 时，寿命N 可无限增大。称为疲劳极限或持久极限。下标r 表示循环特征。 实验表明，黑色金属试样如经历107次循环仍未失效，则再增加循环次数一般也不会失效。故可把107次循环下仍未失效的最大应力作为持久极限σr 。而把N 0=107称为循环基数。有色金属的S-N 曲线在N>5×108时往往仍未趋于水平,通常规定一个循环基数N 0,例如取N 0=108,把它对应的最大应力作为“条件”持久极限。
图２-31 疲劳试验曲线图 工程问题中，有时根据零件寿命的要求，在规定的某一循环次数下，测出σmax ，并称之为疲劳强度。它有别于上面定义的疲劳极限。 用旋转弯曲疲劳实验来测定对称循环的疲劳极限σ-1.设备简单最常使用。各类旋转弯曲疲劳试验机大同小异，图2-32为这类试验机的原理示意图。试样1的两端装入左右两个心轴2后，旋紧左右两根螺杆3。使试样与两个心轴组成一个承受弯曲的“整体梁”上，它支承于两端的滚珠轴承4上。载荷P 通过加力架作用于“梁”上，其受力简图及弯矩图如图2-33所示。梁的中段（试样） 为纯弯曲，且弯矩为M=21 P ɑ。“梁”由高速电机6带动，在套筒7中高速旋转，于是试样横截面上任一点的弯曲正应力，皆为对称循环交变应力，若试样的最小直径为d min ，最小截面边缘上一点的最大和最小应力为 max σ＝I Md 2min ， min σ＝-I Md 2min (2-17) 式中I=64π d 4 m in 。试样每旋转一周，应力就完成一个循环。试样断裂后，套筒压迫停止开关使试验机自动停机。这时的循环次数可由计数器8中读出。 四﹑实验步骤 （1）测量试样最小直径d min ； （2）计算或查出K 值；
超高频强度钢的疲劳断裂行为 J. Mater. Sci. Technol., Vol.24 No.5, 2008 1)国家重点实验室的先进加工钢材和产品,北京100081,中国 2)国家工程研究中心,北京100081钢铁技术先进,中国 3),燕山大学,秦皇岛，中国 (4)对金属的中国社会,北京100711,中国 疲劳断裂行为的超高强度钢与不同熔化过程，研究了夹杂物尺寸不同通过用在旋转弯曲疲劳机上多达107循环加载。观察骨折面发射扫描电子显微镜(FESEM)。当它被发现时已经尺寸的夹杂物对疲劳行为未清除。对钢在AISI 4340夹杂物尺寸小于5.5微米，所有的疲劳裂纹除的确做到了包含但不引发的地表和传统从标本的s - n曲线的存在。对65Si2MnWE在100和Aermet钢平均12.2和14.9米，疲劳裂纹在较低的夹杂物引发的s - n曲线应力幅值和逐步进行观测。弯曲疲劳 强度的s - n曲线显示一个不断下降和疲劳失效的大型氧化物夹杂源于对 60Si2CrVA钢平均夹杂物的尺寸44.4米。在案件的内部骨折在周期超越约1×106 65Si2MnWE和60Si2CrVA钢、夹杂物sh-eye经常发现里面和颗粒状明亮的方面(GBF)进行了观察附近约夹杂。GBF尺寸的增加这个循环数的增加对失败的长寿命的政权。结构应力强度因子的价值范围内裂纹萌生施工现场对GBF与Nf几乎不变，几乎是相等的表面夹杂物和内部包含在周期低于约1×106。既不sh-eye GBF。也没有观察到100 Aermet钢在目前的研究中。 关键词:High-cycle超高强度钢疲劳，夹杂物s - n曲线，鱼眼骨折1、介绍 High-cycle疲劳(HCF)失败是普通的实用的建筑工程项目的土石方作业。因此，广泛的研究已进行多年了令人满意的理解和解决方案尚未达成。众所周知，有一个很好的旋转弯曲疲劳强度之间的关系，如光滑的标本和抗拉强度、维氏硬度、高压、或低或中等强度。对于低或中等强度钢如下 σw ≈ 0.5Rm σw ≈ 1.6HV （1） 在这种情况下，从疲劳裂纹倾向于表面，因此被称为表面的结构。然而,在较高的拉伸强度范围或维氏硬度、线性相关性没发生，有了更多的散射或甚至星体疲劳强度值。疲劳断裂的起源的高强度钢的表面并不总是，但经常还有一定距离 尤其是forhigh-cycle疲劳,因此被称为内部断裂。断裂表面经常展现一个小光滑斑裂纹起源，这是通常的一个叫做“sh-eye”。预防sh-eye肯定会提高骨折的疲劳性能的高强度钢。高强度钢鱼眼骨折来源于内部缺陷，一般多夹杂物[1 - 4、
金属疲劳试验 金属疲劳试验大纲 1．通过金属材料疲劳实验,测定金属材料的σ-1(107),绘制材料的S-N曲线,并观察疲劳破坏现象和断口特征,进而学会对称循环下测定金属材料疲劳极限的方法. 2．主要设备:纯弯曲疲劳试验机,游标卡尺;主要耗材:金属材料试样.(单点法需8-10根试样,成组法至少需20根试样.) 金属疲劳试验指导书 在足够大的交变应力作用下，于金属构件外形突变或表面刻痕或内部缺陷等部位，都可能因较大的应力集中引发微观裂纹。分散的微观裂纹经过集结沟通将形成宏观裂纹。已形成的宏观裂纹逐渐缓慢地扩展，构件横截面逐步削弱，当达到一定限度时，构件会突然断裂。金属因交变应力引起的上述失效现象，称为金属的疲劳。静载下塑性性能很好的材料，当承受交变应力时，往往在应力低于屈服极限没有明显塑性变形的情况下，突然断裂。疲劳断口（见图2－30）明显地分为两个区域：较为光滑的裂纹扩展区和较为粗糙的断裂区。裂纹形成后，交变应力使裂纹的两侧时而张开时而闭合，相互挤压反复研磨，光滑区就是这样形成的。载荷的间断和大小的变化，在光滑区留下多条裂纹前沿线。至于粗糙的断裂区，则是最后突然断裂形成的。统计数据表明，机械零件的失效，约有70%左右是疲劳引起的，而且造成的事故大多数是灾难性的。因此，通过实验研究金属材料抗疲劳的性能是有实际意义的。 图２-30 疲劳试样断口示意图
一﹑实验目的 1. 观察疲劳失效现象和断口特征。 2. 了解测定材料疲劳极限的方法。 二、实验设备 1. 疲劳试验机。 2. 游标卡尺。 三﹑实验原理及方法 在交变应力的应力循环中，最小应力和最大应力的比值 r=m ax m in σσ （2-16） 称为循环特征或应力比。在既定的r 下，若试样的最大应力为σ 1m ax ，经历N 1次循环后，发生疲劳失效，则N 1称为最大应力为σ1 m ax 时的疲劳寿命（简称寿 命）。实验表明，在同一循环特征下，最大应力越大，则寿命越短；随着最大应力的降低，寿命迅速增加。表示最大应力σmax 与寿命N 的关系曲线称为应力-寿命曲线或S-N 曲线。碳钢的S-N 曲线如图2－31所示。从图线看出，当应力降到某一极限值σr 时，S-N 曲线趋近于水平线。即应力不超过σr 时，寿命N 可无限增大。称为疲劳极限或持久极限。下标r 表示循环特征。 实验表明，黑色金属试样如经历107次循环仍未失效，则再增加循环次数一般也不会失效。故可把107次循环下仍未失效的最大应力作为持久极限σr 。而把N 0=107称为循环基数。有色金属的S-N 曲线在N>5×108时往往仍未趋于水平,通常规定一个循环基数N 0,例如取N 0=108,把它对应的最大应力作为“条件”持久极限。
一、旋转弯曲疲劳试验机简介： 馥勒FLPLX系列旋转弯曲疲劳试验机主要用于对金属及合金材料在室温条件下进行反复交变弯曲应力作用下的弯曲疲劳试验，测定金属圆形横截面试样在旋转状态下承受弯曲力矩时的疲劳性能。满足GB/T4337-2008《金属材料疲劳试验旋转弯曲方法》、ISO 1143：2010《metallic materials-Rotating bar bending fatigue testing》、、BS EN 13261:2009《Railway applications-Wheelsets and bogies-Axles-Product requirements》等试验标准方法。 二、疲劳试验机主要技术规格： 1、旋转速度：1000r/min～5000r/min 2、转速波动度：≤±0.5%FS 3、加力点径向跳动量：跳动量≤0.05mm 4、加载方式：组合砝码加载载荷350N 5、加载砝码系列质量：350N，精度≤+/-1% 6、弯曲应力800-900MPa,弯矩相对误差≤±1% 7、疲劳次数显示：≥100000000 8、试样装夹方式：高速精密弹性夹具 9、试样夹持端形式：圆形；试样夹持端直径范围Φ10mm-Φ20mm 10、适用试样直径规格Φ6mm、Φ7.5mm、Φ9.5mm 11、配置高速主轴箱，高精度进口轴承，具有完善的润滑及冷却装置，适用于在承受旋转弯矩条件下长期高速驱动试样旋转 12、安全防护：系统具有断电、驱动马达及主轴箱过热、试验次数到达设定值、试样断裂等停机或报警保护功能 13、系统检验：设备出厂前对系统进行检验、操作和标定 14、安装调试及培训：服务工程师在用户现场进行安装和功能调试并对用户提供培训。
疲劳强度设计 对承受循环应力的零件和构件，根据疲劳强度理论和疲劳试验数据，决定其合理的结构和尺寸的机械设计方法。机械零件和构件对疲劳破坏的抗力，称为零件和构件的疲劳强度。疲劳强度由零件的局部应力状态和该处的材料性能确定，所以疲劳强度设计是以零件最弱区为依据的。通过改进零件的形状以降低峰值应力，或在最弱区的表面层采用强化工艺，就能显著地提高其疲劳强度。在材料的疲劳现象未被认识之前，机械设计只考虑静强度，而不考虑应力变化对零件寿命的影响。这样设计出来的机械产品经常在运行一段时期后，经过一定次数的应力变化循环而产生疲劳，致使突然发生脆性断裂，造成灾难性事故。应用疲劳强度设计能保证机械在给定的寿命内安全运行。疲劳强度设计方法有常规疲劳强度设计、损伤容限设计和疲劳强度可靠性设计。 简史19世纪40年代，随着铁路的发展，机车车轴的疲劳破坏成为非常严重的问题。1867年，德国A.沃勒在巴黎博览会上展出了他用旋转弯曲试验获得车轴疲劳试验结果，把疲劳与应力联系起来，提出了疲劳极限的概念，为常规疲劳设计奠定了基础。 20世纪40年代以前的常规疲劳强度设计只考虑无限寿命设计。第二次世界大战中及战后，通过对当时发生的许多疲劳破坏事故的调查分析，逐渐形成了现代的常规疲劳强度设计，它非但提高了无限寿命设计的计算精确度,而且可以按给定的有限寿命来设计零件,有限寿命设计的理论基础是线性损伤积累理论。早在1924年，德国 A.帕姆格伦在估算滚动轴承寿命时，曾假定轴承材料受到的疲劳损伤的积累与轴承转动次数（等于载荷的循环次数）成线性关系，即两者之间的关系可以用一次方程式来表示。1945年，美国M.A.迈因纳根据更多的资料和数据,明确提出了线性损伤积累理论，也称帕姆格伦-迈因纳定理。 随着断裂力学的发展，美国A.K.黑德于1953年提出了疲劳裂纹扩展的理论。1957年，美国P.C.帕里斯提出了疲劳裂纹扩展速率的半经验公式。1967年，美国R.G.福尔曼等又对此提出考虑平均应力影响的修正公式。这些工作使人们有可能计算带裂纹零件的剩余寿命，并加以具体应用，形成了损伤容限设计。 用概率统计方法处理疲劳试验数据，是20世纪20年代开始的。60年代后期，可靠性设计从电子产品发展到机械产品，于是在航天、航空工业的先导下，开始了可靠性理论在疲劳强度设计中的应用。 1961年联邦德国H.诺伊贝尔提出的关于缺口件中名义应力-应变与局部应力-应变之间的关系，称为诺伊贝尔公式。1968年加拿大R.M.韦策尔在诺伊贝尔公式的基础上，提出了估算零件裂纹形成寿命的方法，即局部应力-应变法，在疲劳强度设计中得到了应用和发展。 常规疲劳强度设计假设材料没有初始裂纹，经过一定的应力循环后，由于疲劳损伤的积累，才形成裂纹，裂纹在应力循环下继续扩展，直至发生全截面脆性断裂。裂纹形成前的应力循环数，称为无裂纹寿命；裂纹形成后直到疲劳断裂的应力循环数，称为裂纹扩展寿命。零件总寿命为两者之和。 根据零件所用材料的试样的疲劳试验结果，以最大应力为纵坐标、以达到疲劳破坏的循环数N为横坐标，画出一组试样在某一循环特征下的应力-
车轴知识 车轴是机车车辆承受动载荷的关键零件，受力状态复杂，它主要承受弯曲载荷、扭转载荷或弯扭复合载荷，并可能受到一定冲击。所以，轴在工作中可因疲劳、弯曲、扭转或拉伸应力而断裂，但疲劳断裂是轴的普遍断裂形式。因此，对车轴钢材而言，主要是保证其良好的强度，特别是弯扭复合疲劳强度及韧性。为了防止其轴颈部位的迅速磨损，还应具备一定的表面硬度。 车轴的强度、韧性等性能要求须通过车轴钢材成分和热处理两方面来保证，与此同时，对钢材的冶金质量、淬透性要求等还须提出附加要求。以下仅就高速铁路用车轴材质的优化选择加以论述。 车轴钢材成分 车轴钢材成分对性能的保证包括两方面涵义，一方面指合金化问题，另方面指含碳量高低的选择。 车轴钢材的含碳量 “碳”是钢中必不可少的元素，也是影响钢材性能的重要元素。然而加碳虽然强化作用很高，但却显著降低韧性。轴类零件一般选择中碳钢。为了提高铁路行车安全性，应降低车轴钢的含碳量，在降碳的同时，可通过微合金化及热处理来提高车轴强度。 40～45钢车轴使用历史悠久，是国际上使用较多的钢种。由于其强度偏低，耐磨性差，疲劳裂纹萌生门槛值较低，使用寿命较短。但40～45钢韧脆转变温度低，加工性能好，成本低，如果能采用先进的冶炼、锻造技术和热处理工艺，在保持韧性前提下提高强度，其裂纹率很可能有所下降，使用寿命将会相对延长。 长期以来，我国的机车车辆均采用优质碳素钢车轴，国外由于各国的国情不同，技术观点不同，选用的车轴材料不尽相同。依据各国车轴标准不同，车轴材料一般分为两大类，即碳素钢车轴及合金钢车轴。但都属于低碳钢范畴。碳素钢车轴钢材的含碳量一般选择0.30～0.45%，加入合金元素，可适当降碳。 车轴钢材的合金元素 依据车轴钢材的使用性能，要求车轴钢具有较高的强度和韧性，即良好的综合性能。因此，车轴钢合金化的目的就是添加合金元素达到强韧化目的。 钢材的韧化，意味着不发生脆化。依据一般的强化机构，除细晶强化外，一般均会发生脆化，即脆性转变温度上升的同时，韧性破断的冲击值和断裂韧性值下降。对于大截面钢件，Mo是使其晶粒细化，提高综合性能的首选元素。Cr能够增加钢的淬透性，促使淬火及回火后工件整个截面上获得较均匀的组织。Ni是提高钢材韧性最有效的合金元素。它韧化的机理是使材料基体本身在低温下易于交叉滑移，从而提高韧性。所以，不论对何种组织，加入Ni均可提高韧性。多种合金元素的复合加入，反映在性能上，则由单一性能到优良的综合机械性能，从而可以满足车轴在不同受荷状态的需要。因此，Cr、Ni、Mo等合金元素是车轴钢合金化的主要元素。 选材时还必须考虑经济性，包括材料成本的高低，供应是否充分，加工工艺过程是否复杂。由于Ni、Mo的价格昂贵，使材料的成本增加。 综合性能、资源和成本等多种因素，车轴钢成分设计中，在满足设计要求的组织和性能前提下，应控制Ni、Mo的含量。 车轴钢的冶金质量 车轴要求钢材具有良好的疲劳强度，钢材中的宏观和微观缺陷将造成应力集中，而且本身常常就是裂纹源，因而，车轴钢材的冶金质量就显得十分重要。为此，国外已开始较普遍地采用钢包脱气、真空冶炼等精炼方法生产车轴用钢。精炼钢的疲劳强度和冲击性能都得到
铝合金车轮径向疲劳试验的数值仿真 NUMERICAL SIMULATION FOR RADIAL FATIGUE TEST OF AN ALUMINUM ALLOY WHEEL 韦东来 崔振山 (上海交通大学国家模具C AD 工程研究中心,上海200030) WEI DongLai CUI ZhenShan (National Mold &Die CA D Enginee ring Researc h Center ,Shanghai Jiaotong Univ ersity ,Shanghai 200030,China ) 摘要 将动态接触转化成节点可相对移动的缓冲过渡层,提出径向疲劳模型中轮胎与轮辋接触问题的解决方法。过渡层通过共用节点的方法离散成五面体单元,传递轮胎对轮辋的作用力。由于过渡层刚度很小而且厚度小,所以对车轮刚度的影响可以忽略不计。考虑到试验中转鼓与车轮的滚动接触切向力比较小,仅以等效的径向压力施加到轮胎上。文中建立整个试验过程的有限元模型,通过与试验结果以及前人的成果相对比,表明分析模型是正确而有效的。 关键词 铝合金车轮 径向疲劳试验 非线性接触 数值仿真中图分类号 U463.34 U461.7 TG146.21 A bstract By translating the dynamic contact to a transition cushion which nodes are movable to s ome extent ,a method to deal with the problem occurred in the contact between tyre and rim is proposed .The cushion is meshed using pentahedron elements which nodes are s hared with tyre and rim ,and the contact forces are transferred .The stiffness and thickness of this cushion is so small that can be ignored to the stiffness of the wheel .Considering the tangent force of the rolling contact between driving wheel and test wheel is rela -tive small ,an equivalent rad ial force is used to replace the load from driving wheel .The finite element model of the wheel is establis hed and the results shown in the final fatigue simulation demonstrates that the model is validated by comparing with the conclusions of experi -ments and preceding research . Key words A luminum alloy wheel ;Radial fatigue test ;Nonlinear contact ;Numerical simulation Corr es ponding autho r :WEI DongLai ,E -mail :wdo nglai @163.co m ,Tel :+86-21-62813430-8097,Fax :+86-21-62827605Manuscript received 20061024,in revised form 20070423. 1 引言 以铝材代替钢材是汽车轻量化的重要途径。目前,压铸铝车轮以其重量轻、外形美观、良好的抗冲击性和耐疲劳性,已逐渐成为车轮行业的主流。随着铝车轮造型的不断更新和需求量的增大,车轮的设计和试验周期越来越短,仅仅依靠物理试验结果来反复修正设计方案的常规方法已难以满足市场竞争的需要。因此,利用CAE (computer aided engineering )分析软件对试验过程进行数值仿真,把设计和试验连成一体,能有效缩短开发周期,降低成本。 车轮径向疲劳试验是模拟汽车正常行驶时路面作用于车轮上的反作用力对车轮疲劳的影响,主要检查整个车轮的综合强度。有关铝合金车轮径向疲劳试验数值仿真的相关报道还很少。Karandikar 和Fuchs [1] 开发出一套包含有限元分析及疲劳寿命预测的程序,用 于预测车轮的疲劳寿命。Marron 和Teracher [2] 着重研 究在保证车轮强度和寿命的前提下如何减轻轮辐的重量。上述文献仅针对局部的应力分布状况进行研究,对于整个车轮能否通过疲劳测试,还没有可靠的分析 结论。台湾元智大学的徐业良[3] 对铝合金车轮进行了径向疲劳模拟,并进行了优化,但是轮辋上没有安装轮胎,也没有给出轮胎对车轮应力的影响。J .Stearns - [4]262-268 分析了在径向载荷作用下轮辋与轮胎接触部位的应力分布,得出该应力分布近似服从余弦函数,从而直接将接触压力近似地分配于轮辋表面节点上。 清华大学的王霄锋[5] 使用Algor 软件建立和计算车轮弯曲疲劳试验模型,对车轮的结构进行改进,降低了车轮应力水平。哈尔滨工业大学的崔胜民[6] 采用名义应力法和局部应力—应变法中的莫罗修正公式和史密斯修正公式,对车轮分别在等幅载荷和载荷谱作用下进行弯曲疲劳寿命预测。 但是他们模拟的对象都是 Journal of Mechanical Strength 2008,30(6):998～1002 韦东来,男,1974年1月生,广西壮族自治区南宁市上林县人,壮族。博士,研究方向为汽车零部件成形数值仿真和基于CAE 的产品稳健优化 设计研究。 20061024收到初稿,20070423收到修改稿。 DOI :10.16579/j .issn .1001.9669.2008.06.028