3-裂紋擴展試驗

試驗三金屬材料裂紋擴展試驗主講人：時新紅Tel公室：新主樓D座608Email：shixinhong@綜合試驗第二部分內(nèi)容提要一、基礎(chǔ)知識基本概念2.斷裂力學(xué)背景3.斷裂力學(xué)相關(guān)知識二、試驗介紹試驗?zāi)康脑囼炘O(shè)備及試件試驗過程試驗數(shù)據(jù)處理一、基礎(chǔ)知識基本概念：疲勞：材料或結(jié)構(gòu)的某一點或某些點，在承受波動的應(yīng)力和應(yīng)變情況下，發(fā)生漸進的、局部的、帶永久性的變化過程。在足夠的次數(shù)波動后，材料和結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生裂紋或最終斷裂。一、基礎(chǔ)知識基本概念：材料/結(jié)構(gòu)在交變載荷作用下產(chǎn)生不可逆的損傷累積，損傷累積可使材料/結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂紋，裂紋進一步擴展至完全斷裂。

一、基礎(chǔ)知識結(jié)構(gòu)的微觀缺陷宏觀可檢裂紋臨界裂紋即破壞發(fā)展擴展(0.2mm~1.0mm)裂紋形成壽命裂紋擴展壽命疲勞和斷裂是一個連續(xù)的過程

一、基礎(chǔ)知識疲勞和斷裂是一個連續(xù)的過程

一、基礎(chǔ)知識斷裂力學(xué)研究背景：20世紀(jì)初期，人們在使用各種材料尤其是金屬材料的長期實踐中，觀察到大量的斷裂現(xiàn)象。Griffith以材料內(nèi)部存在缺陷的觀點為基礎(chǔ)，提出在一定條件下，微小缺陷或裂紋將失穩(wěn)擴展，導(dǎo)致材料或結(jié)構(gòu)的破壞。一、基礎(chǔ)知識斷裂力學(xué)研究背景：1.20世紀(jì)50年代初，美國北極星導(dǎo)彈固體燃料發(fā)動機殼體在試驗時發(fā)生爆炸，材料為高強度合金，傳統(tǒng)的強度和韌性指標(biāo)全部合格。

——原因由宏觀裂紋（0.1～1mm）引起，裂紋源可能是焊裂、雜質(zhì)、晶界開裂2.20世紀(jì)60年代，美國F-111飛機在執(zhí)行飛行訓(xùn)練途中，做投彈恢復(fù)動作時，左翼脫落，導(dǎo)致飛機墜毀。當(dāng)時的飛行速度、總重量及過載等指標(biāo)遠(yuǎn)低于設(shè)計指標(biāo)。

——原因是機翼樞軸出現(xiàn)缺陷，漏檢后經(jīng)疲勞載荷作用，小裂紋繼續(xù)擴展至斷裂引起一、基礎(chǔ)知識斷裂力學(xué)研究背景：3.20世紀(jì)80年代，日本航空公司波音747SR在24000米高空垂尾斷裂，墜毀在群馬縣。機上524人中，520人遇難，4人受傷。

——原因飛機后部承壓隔板鉚釘上產(chǎn)生疲勞裂紋，之后導(dǎo)致了承壓隔板的上半部腹板部分?jǐn)嗔眩鸫刮矓嗔岩?、基礎(chǔ)知識斷裂力學(xué)研究背景：4.2007年，美軍F-15戰(zhàn)斗機發(fā)生空中解體，飛行員因及時跳傘而幸免于難，但整架飛機摔成了廢鐵。

——原因長期高強度作戰(zhàn)

和訓(xùn)練使得金屬架構(gòu)發(fā)

生老化，表面產(chǎn)生疲勞

裂紋，從而引起解體。一、基礎(chǔ)知識斷裂力學(xué)研究背景：5.2011年，美國西南航空公司的波音737-300飛行過程中機身頂部出現(xiàn)大洞，機艙失壓緊急降落?！蛟摽蜋C過去15

年間每天起落7次，起落

總次數(shù)3.9萬，以致金屬

蒙皮外表面出現(xiàn)細(xì)小裂

紋。一、基礎(chǔ)知識

斷裂力學(xué)：研究含裂紋體在各種工作條件下裂紋的擴展、失穩(wěn)及止裂的規(guī)律，應(yīng)用這些規(guī)律指導(dǎo)設(shè)計，以保證構(gòu)件的安全可靠。

斷裂力學(xué)研究內(nèi)容：斷裂力學(xué)研究對象：含裂紋體開裂形式I型：張開型，外載荷與裂紋平面垂直，裂紋兩個表面相對張開II型：滑開型，面內(nèi)垂直裂紋前緣的剪力，裂紋在自身平面內(nèi)作垂直于裂紋前緣的滑動III型：撕開型，分離面剪力，裂紋面在其自身平面內(nèi)作平行于裂紋前緣的錯動

一、基礎(chǔ)知識I型裂紋：一、基礎(chǔ)知識I型裂紋：應(yīng)力強度因子K：裂紋尖端附近應(yīng)力應(yīng)變彈性場的強度無限大板：

有限寬板：一、基礎(chǔ)知識交變載荷下，裂紋尖端應(yīng)力強度因子的變程：在交變載荷下，

裂紋長度a隨著循環(huán)次數(shù)N的增加而增大，定義交變載荷每循環(huán)一次所對應(yīng)的裂紋擴展量為裂紋擴展速率，即da/dN，影響參量如下：

——裂紋尖端應(yīng)力強度因子的變程——交變載荷的應(yīng)力比——材料的厚度一、基礎(chǔ)知識基礎(chǔ)知識疲勞裂紋擴展特性：二、試驗介紹1.試驗?zāi)康牧私馄诹鸭y擴展的基本原理掌握裂紋擴展規(guī)律與擴展特點掌握金屬材料裂紋擴展試驗測試方法掌握裂紋擴展數(shù)據(jù)處理技術(shù)2.試驗裝置及試件靜載誤差±0.5%動載誤差±2.0%試驗介紹讀數(shù)精度為1mm試驗介紹試驗介紹試件

材料：2524-T3試驗介紹3.試驗過程前期準(zhǔn)備

試樣編號、尺寸測量、載荷計算預(yù)制疲勞裂紋

給定載荷、頻率進行預(yù)制，記錄裂紋擴展試驗

記錄裂紋長度、循環(huán)次數(shù)試驗介紹4.試驗數(shù)據(jù)處理

載荷：Pmax=170MPa，R=0.06試驗介紹目標(biāo)試驗結(jié)果aN試驗介紹確定da/dN：試驗介紹確定da/dN：七點遞增多項式法利用最小二乘法擬合，使得：