實(shí)驗(yàn)三疲勞實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)三疲勞實(shí)驗(yàn)第一頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日

1988年4月28日阿羅哈航空波音737-200型客機(jī)243號(hào)班機(jī)在飛行途中發(fā)生爆裂性失壓的事故，約頭等艙部位的上半部外殼完全破損，機(jī)頭與機(jī)身隨時(shí)有分離解體的危險(xiǎn)，但10多分鐘后奇跡地安全迫降。事件當(dāng)時(shí)，一名機(jī)組人員不幸被吸出機(jī)艙外死亡，而其余65名機(jī)組人員和乘客則分別受到輕重傷。事故原因是由裂縫腐蝕導(dǎo)致金屬疲勞引起

第二頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日裂紋源斷裂區(qū)裂紋擴(kuò)展區(qū)條紋

第三頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日斷裂區(qū)裂紋源裂紋擴(kuò)展條紋第四頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日曲軸斷裂齒輪斷裂第五頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日自行車曲柄蜘蛛臂疲勞裂紋源第六頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日

2011年4月1日下午，美國(guó)西南航空公司一架波音737客機(jī)飛機(jī)中段過道上方機(jī)身有一個(gè)1.8米長(zhǎng)的破洞。所幸飛機(jī)成功迫降，安全專家表示，機(jī)身出現(xiàn)破洞是金屬疲勞現(xiàn)象引起的。第七頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?．了解金屬軸向疲勞試驗(yàn)、斷裂韌性試驗(yàn)、裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)方法及步驟。第八頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日疲勞試驗(yàn)機(jī)工作原理圖第九頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日第十頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日工程材料對(duì)循環(huán)變形和對(duì)波動(dòng)載荷作用下的裂紋萌生與成長(zhǎng)的敏感性是許多工程應(yīng)用中一個(gè)相當(dāng)重要的課題。疲勞通常指的是由于應(yīng)力或應(yīng)變的反復(fù)作用而引起材料性能發(fā)生變化，導(dǎo)致了開裂或失效。有關(guān)工程材料疲勞的研究大約已經(jīng)有160多年的歷史。據(jù)統(tǒng)計(jì)，疲勞破壞在整個(gè)失效件中占80%以上。結(jié)構(gòu)疲勞正作為一個(gè)重大的問題進(jìn)行研究。第十一頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日疲勞損傷過程及機(jī)理循環(huán)滑移裂紋形核微觀裂紋擴(kuò)展宏觀裂紋擴(kuò)展最終斷裂裂紋萌生階段Kt應(yīng)力集中系數(shù)K應(yīng)力強(qiáng)度因子KIC斷裂韌性1.疲勞過程裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展階段失穩(wěn)擴(kuò)展階段第十二頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日一、變動(dòng)載荷和循環(huán)應(yīng)力

1.變動(dòng)載荷變動(dòng)載荷是引起疲勞破壞的外力，是指載荷大小，甚至方向隨時(shí)間變化的載荷，其單位面積上的平均值為變動(dòng)應(yīng)力。變動(dòng)應(yīng)力可分為循環(huán)應(yīng)力和無規(guī)隨機(jī)應(yīng)力。

2.循環(huán)應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力的波形主要有正弦波、矩形波、三角波等，其中最常見的是正弦波。循環(huán)應(yīng)力可用幾個(gè)參數(shù)表示：

最大應(yīng)力σmax最小應(yīng)力σmin

應(yīng)力比R=σmin/σmax二、金屬的軸向疲勞試驗(yàn)第十三頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日a=maxmin2應(yīng)力幅平均應(yīng)力m

=maxmin2+min=0a=

max/2m=a=maxmax=-min第十四頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日二、疲勞特點(diǎn)1.低應(yīng)力循環(huán)延時(shí)斷裂，即具有壽命的斷裂2.疲勞是脆性斷裂3.疲勞對(duì)缺陷（缺口、裂紋及組織缺陷）十分敏感。4.疲勞斷口上有明顯的疲勞源和疲勞擴(kuò)展區(qū)第十五頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日1.疲勞S-N曲線測(cè)定S－N曲線（即應(yīng)力水平－循環(huán)次數(shù)N曲線）采用成組法。至少取五級(jí)應(yīng)力水平，各級(jí)取一組試件，其數(shù)量分配，因隨應(yīng)力水平降低而數(shù)據(jù)離散增大，故要隨應(yīng)力水平降低而增多，通常每組5根。升降法求得的，作為S－N曲線最低應(yīng)力水平點(diǎn)。然后，以最大應(yīng)力為縱坐標(biāo)，以循環(huán)數(shù)N或N的對(duì)數(shù)為橫坐標(biāo)，用最佳擬合法繪制成S－N曲線第十六頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日第十七頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日2條件疲勞極限的測(cè)定測(cè)試條件疲勞極限采用升降法，試件取13根以上。每級(jí)應(yīng)力增量取預(yù)計(jì)疲勞極限的5％以內(nèi)。第一根試件的試驗(yàn)應(yīng)力水平略高于預(yù)計(jì)疲勞極限。根據(jù)上根試件的試驗(yàn)結(jié)果，是失效還是通過（即達(dá)到循環(huán)基數(shù)不破壞）來決定下根試件應(yīng)力增量是減還是增，失效則減，通過則增。直到全部試件做完。第一次出現(xiàn)相反結(jié)果（失效和通過，或通過和失效）以前的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如在以后試驗(yàn)數(shù)據(jù)波動(dòng)范圍之外，則予以舍棄；否則，作為有效數(shù)據(jù)，連同其他數(shù)據(jù)加以利用，按下列公式計(jì)算疲勞極限：式中m——有效試驗(yàn)總次數(shù)；n—應(yīng)力水平級(jí)數(shù)；σi—第i級(jí)應(yīng)力水平；νi—第i級(jí)應(yīng)力水平下的試驗(yàn)次數(shù)。第十八頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日例如某試驗(yàn)過程如圖21-2所示，共14根試件。預(yù)計(jì)疲勞極限為390MPa，取其2.5％約10MPa為應(yīng)力增量，第一根試件的應(yīng)力水平402MPa，全部試驗(yàn)數(shù)據(jù)波動(dòng)如圖21-2，可見，第四根試件為第一次出現(xiàn)相反結(jié)果，在其之前，只有第一根在以后試驗(yàn)波動(dòng)范圍之外，為無效，則按上式求得條件疲勞極限如下：MPa第十九頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日金屬的斷裂韌度第二十頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日1.裂紋擴(kuò)展的基本形式：一.線彈性條件下的金屬斷裂韌度張開型（I型）滑開型（II型）撕開型（III型）金屬的斷裂韌度第二十一頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日2.彈性應(yīng)力場(chǎng)方程的推導(dǎo)

假設(shè)有無限大板，其中有2a長(zhǎng)的I型裂紋，在無限遠(yuǎn)處作用有均勻拉應(yīng)力，應(yīng)用彈性力學(xué)何以分析裂紋尖端附近的應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)。如用極坐標(biāo)表示，則各點(diǎn)（r,θ)的應(yīng)力分量、應(yīng)變分量和位移分量可以近似表達(dá)為：應(yīng)力分量：（平面應(yīng)變）（平面應(yīng)力）歐文（Irwin)第二十二頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日位移分量（平面應(yīng)變狀態(tài)）：應(yīng)變分量（平面應(yīng)變狀態(tài)）：式中:——泊松比E

——拉伸楊氏模量第二十三頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日

θ=0則：

式中KI

值的大小直接影響應(yīng)力場(chǎng)的大小，KI

可以表示應(yīng)力場(chǎng)的強(qiáng)弱程度故稱為應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子

當(dāng)θ=0

r→0時(shí)由上式可得：

裂紋I型應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度系數(shù)的一般表達(dá)式：Y——裂紋形狀系數(shù)第二十四頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日半無限邊緣缺口試樣有限寬度的中心開裂紋試樣有限寬度的邊緣缺口試樣半無限寬邊緣缺口試樣有限寬度的中心開裂紋試樣f(a/W)第二十五頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日單邊缺口試樣(SEN)雙邊缺口試樣（DEN）SEN:DEN:0.5%accurateforanya/W

0.5%accuratefora/W<0.6

第二十六頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日3.斷裂韌度KIC斷裂K判據(jù)

KIC為平面應(yīng)變下的斷裂韌度，表示在平面應(yīng)變條件下材料抵抗裂紋失穩(wěn)的能力σC—斷裂應(yīng)力或斷裂強(qiáng)度αC—斷裂時(shí)臨界裂紋尺寸

(MPa·)裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展脆斷的斷裂K判據(jù)：裂紋體受力時(shí)，只有滿足上述條件就會(huì)發(fā)生脆性斷裂。反之，即使存在裂紋，也不會(huì)斷裂。此稱為破損安全。第二十七頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日高強(qiáng)度馬氏體時(shí)效鋼不同試樣厚度的KC變化條件：-小尺度塑性變形-平面應(yīng)變Kc=KIC第二十八頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日4.斷裂韌度試驗(yàn)第二十九頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日參照標(biāo)準(zhǔn):ASTME-399,疲勞預(yù)裂紋試樣ASTMStandardSingleEdgenotchedBend(SENB)SpecimenASTMStandardCompactTension(CT)Specimen式中式中第三十頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日試樣與COD規(guī)的連接

KIC

試驗(yàn)典型載荷位移曲線分析：-作一條偏移5

%的直線（OA斜率的95％相當(dāng)于至裂紋擴(kuò)展2％）

-Ps:偏移5%直線與P-v曲線的交點(diǎn)

如果Ps之前P的值<Ps,則PQ=Ps

若Pmax/PQ<1.10,那么

到K(PQ)公式:計(jì)算KQ

(條件KIC)

如果試樣尺寸滿足要求,即則檢查裂紋前端是否是基本對(duì)稱的,對(duì)稱的則KQ=KIC(有效測(cè)試)

第三十一頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日a1a5a2a4a3第三十二頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日1.疲勞裂紋擴(kuò)展曲線試樣使用三點(diǎn)彎曲樣、中心裂紋試樣（CCT）或緊湊拉伸試樣（CT），先預(yù)制疲勞裂紋，固定應(yīng)力比R和應(yīng)力幅Δσ條件下循環(huán)加載，觀察裂紋長(zhǎng)度a隨N循環(huán)擴(kuò)展增長(zhǎng)情況。

疲勞裂紋擴(kuò)展及疲勞門檻值

第三十三頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日

I區(qū)是疲勞裂紋的初始擴(kuò)展階段，所占擴(kuò)展壽命不長(zhǎng)。

II區(qū)是疲勞裂紋擴(kuò)展的主要階段，占據(jù)亞穩(wěn)擴(kuò)展的絕大部分，是決定疲勞壽命的主要組成部分?？捎肞aris公式：

Ⅲ區(qū)是疲勞擴(kuò)展的最后階段，其da/dN很大，并隨ΔK增加而更快地增大第三十四頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日2.疲勞擴(kuò)展門檻值ΔKth

當(dāng)ΔK≤ΔKthda/