金屬疲勞試驗?zāi)康暮脱芯糠椒ㄕn件

金屬疲勞試驗?zāi)康暮脱芯糠椒?/p>

金屬疲勞試驗?zāi)康暮脱芯糠椒?/p>

一、實驗?zāi)康模?.了解金屬軸向疲勞測試方法、斷裂韌性Kic測試方法及裂紋擴(kuò)展速率DA/DN測試方法。2.了解疲勞試驗機(jī)工作原理一、實驗?zāi)康模?/p>

1988年4月28日阿羅哈航空波音737-200型客機(jī)243號班機(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)身隨時有分離解體的危險，但10多分鐘后奇跡地安全迫降。事件當(dāng)時，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。事故原因是由裂縫氧化導(dǎo)致金屬疲勞引起

1988年4月28日阿羅哈航空波音737-20

裂紋源斷裂區(qū)裂紋擴(kuò)展區(qū)條紋

裂紋源斷裂區(qū)裂紋擴(kuò)展區(qū)條紋斷裂區(qū)裂紋源裂紋擴(kuò)展條紋斷裂區(qū)裂紋源裂紋擴(kuò)展條紋928保時捷齒輪928保時捷齒輪曲軸斷裂齒輪斷裂曲軸斷裂齒輪斷裂自行車曲柄蜘蛛臂疲勞裂紋源自行車曲柄蜘蛛臂疲勞裂紋源

2011年4月1日下午，美國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1.8米長的破洞。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。2011年4月1日下午，美國西南航空公司一一、引言工程材料對循環(huán)變形和對波動載荷作用下的裂紋萌生與成長的敏感性是許多工程應(yīng)用中一個相當(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，疲勞破壞在整個失效件中占80%以上。結(jié)構(gòu)疲勞正作為一個重大的問題進(jìn)行研究。一、引言工程材料對循環(huán)變形和對波動載荷作用下的裂紋萌生與成長二、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)展階段二、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2、疲勞裂紋萌生過程2.1滑移帶開裂產(chǎn)生裂紋金屬在循環(huán)應(yīng)力的作用下，即使其應(yīng)力低于屈服應(yīng)力，也會發(fā)生循環(huán)滑移并形成循環(huán)滑移帶。隨著加載循環(huán)次數(shù)的增加，循環(huán)滑移帶不斷地加寬，由于位錯的塞積和交割作用，會在滑移帶處形成微裂紋。

2、疲勞裂紋萌生過程2.1滑移帶開裂產(chǎn)生裂紋在裂紋的萌生期，疲勞是一種發(fā)生在材料表面的現(xiàn)象。循環(huán)滑移帶生成和一個純銅試樣的裂紋Sm=0，Sa=77.5MPaN=2×106在裂紋的萌生期，疲勞是一種發(fā)生在材料表面的現(xiàn)象。循環(huán)滑移帶生2.2相界面開裂產(chǎn)生裂紋在大量的疲勞失效分析中發(fā)現(xiàn)很多疲勞源是有材料中的第二相或夾雜引起的。2.3晶界開裂產(chǎn)生裂紋多晶體材料由于晶界的存在和相鄰晶粒的不同取向性，位錯在某一晶粒內(nèi)運動時會受到晶界的阻礙作用，在晶界處發(fā)生位錯塞積和應(yīng)力集中現(xiàn)象。在應(yīng)力不斷循環(huán)下晶界處的應(yīng)力集中得不到松弛時，應(yīng)力峰越來越高，當(dāng)超過晶界強(qiáng)度時就會在晶界處產(chǎn)生裂紋。

夾雜晶界2.2相界面開裂產(chǎn)生裂紋夾雜晶界

疲勞微裂紋萌生后即進(jìn)入裂紋擴(kuò)展階段，根據(jù)裂紋擴(kuò)展方向，裂紋擴(kuò)展可分為兩個階段，第一階段時從個別侵入溝或擠出脊先行成微裂紋，然后沿最大切應(yīng)力方向向內(nèi)擴(kuò)展，此時，如果微裂紋擴(kuò)展到一些相鄰的晶粒顆粒時，由于鄰近晶粒的存在對滑位移的約束，擴(kuò)展過程中多數(shù)微裂紋成為不擴(kuò)展裂紋。只有個別微裂紋會擴(kuò)展為2—5個晶粒范圍。第二階段是裂紋垂直與加載方向擴(kuò)展，最后形成剪切唇為止。3.裂紋擴(kuò)展階段內(nèi)部缺陷缺口或劃傷裂紋形核滑移疲勞微裂紋萌生后即進(jìn)入裂紋擴(kuò)展階段，根據(jù)裂紋擴(kuò)展方向4.影響疲勞強(qiáng)度的因素

工作條件載荷條件（應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)力比、過、次載情況、平均應(yīng)力）載荷頻率環(huán)境溫度環(huán)境介質(zhì)表面狀態(tài)及尺寸因素尺寸效應(yīng)表面粗糙度缺口效應(yīng)表面處理及殘余內(nèi)應(yīng)力表面噴丸及滾軋表面熱處理表面化學(xué)熱處理表面涂層4.影響疲勞強(qiáng)度的因素載荷條件（應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)力比、過、次載情材料因素化學(xué)成分組織結(jié)構(gòu)纖維方向內(nèi)部缺陷材料因素化學(xué)成分金屬的斷裂韌度金屬的斷裂韌度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2.彈性應(yīng)力場方程的推導(dǎo)

假設(shè)有無限大板，其中有2a長的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、應(yīng)變場。如用極坐標(biāo)表示，則各點（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)2.彈性應(yīng)力場方程的推導(dǎo)

假設(shè)有無限大板，其中有2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:

θ=0則：

式中KI

值的大小直接影響應(yīng)力場的大小，KI

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

當(dāng)θ=0

r→0時由上式可得：

裂紋I型應(yīng)力場強(qiáng)度系數(shù)的一般表達(dá)式：Y——裂紋形狀系數(shù)θ=0則：式中KI值的大小直接影響應(yīng)力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)半無限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

單邊缺口試樣(SEN)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，只有滿足上述條件就會發(fā)生脆性斷裂。反之，即使存在裂紋，也不會斷裂。此稱為破損安全。3.斷裂韌度KIC斷裂K判據(jù)σC—斷裂應(yīng)力或斷裂強(qiáng)度高強(qiáng)度馬氏體時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高強(qiáng)度馬氏體時效鋼不同試樣厚度的KC變化條件：Kc=KI4.斷裂韌度試驗4.斷裂韌度試驗疲勞試驗機(jī)工作原理圖疲勞試驗機(jī)工作原理圖參照標(biāo)準(zhǔn):ASTME-399,疲勞預(yù)裂紋試樣ASTMStandardSingleEdgenotchedBend(SENB)SpecimenASTMStandardCompactTension(CT)Specimen式中式中參照標(biāo)準(zhǔn):ASTME-399,疲勞試樣取樣規(guī)則：試樣取樣規(guī)則：斷裂韌性試樣斷口例圖斷裂韌性試樣斷口例圖試樣與COD規(guī)的連接

KIC

試驗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

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稱的,對稱的則KQ=KIC(有效測試)

試樣與COD規(guī)的連接KIC試驗典型載荷位移曲線分析：金屬的疲勞一、變動載荷和循環(huán)應(yīng)力

1.變動載荷變動載荷是引起疲勞破壞的外力，是指載荷大小，甚至方向隨時間變化的載荷，其單位面積上的平均值為變動應(yīng)力。變動應(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)力可用幾個參數(shù)表示：

最大應(yīng)力σmax最小應(yīng)力σmin

應(yīng)力比R=σmin/σmax金屬的疲勞一、變動載荷和循環(huán)應(yīng)力

a=

max

min2應(yīng)力幅平均應(yīng)力

m

=

max

min2+

min=0

a=

max/2

m=

a=

max

max=-mina=maxmin2應(yīng)力幅平均應(yīng)力m=maxm二、疲勞特點1.低應(yīng)力循環(huán)延時斷裂，即具有壽命的斷裂2.疲勞是脆性斷裂3.疲勞對缺陷（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)二、疲勞特點1.低應(yīng)力循環(huán)延時斷裂，即具有壽命的斷裂三、疲勞宏觀斷口特征

疲勞斷裂和其它斷裂一樣，其斷口保留了整個斷裂過程的所有痕跡，記載著很多疲勞信息，具有明顯的形貌特征。斷口分析是研究疲勞過程和分析失效原因的重要方法之一。典型的疲勞斷口具有三個形貌不同的區(qū)域——疲勞源、疲勞區(qū)及瞬斷區(qū)。疲勞源特點：光亮而平滑疲勞區(qū)特點：斷口光滑并分布有貝紋線，有時還有裂紋擴(kuò)展臺階貝紋線凹側(cè)指向疲勞源，凸側(cè)指向裂紋擴(kuò)展方向。近疲勞源者貝紋線較密，遠(yuǎn)則疏。瞬斷區(qū)特點：脆性材料為結(jié)晶狀斷口；韌性材料則中間平面應(yīng)變區(qū)為放射狀或人字紋斷口，邊緣平面應(yīng)力區(qū)為剪切唇。三、疲勞宏觀斷口特征金屬疲勞試驗?zāi)康暮脱芯糠椒ㄕn件四.疲勞S-N曲線四.疲勞S-N曲線

由于疲勞試驗時試驗數(shù)據(jù)分散性較大，因此從破壞幾率和可靠性考慮，需要在每一應(yīng)力水平下選一組試樣，測定每個試樣的疲勞壽命，然后用概論統(tǒng)計方法將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，繪制不同破壞幾率的一簇疲勞曲線，稱為P-S-N曲線。由于疲勞試驗時試驗數(shù)據(jù)分散性較大，因此五、疲勞缺口敏感度疲勞缺口敏感度：

Kt—理論應(yīng)力集中系數(shù)Kf—疲勞缺口系數(shù)Steel五、疲勞缺口敏感度Kt—理論應(yīng)力集中系數(shù)Steel六、疲勞裂紋擴(kuò)展及疲勞門檻值

1.疲勞裂紋擴(kuò)展曲線試樣使用三點彎曲樣、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，觀察裂紋長度a隨N循環(huán)擴(kuò)展增長情況。

六、疲勞裂紋擴(kuò)展及疲勞門檻值

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。

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。2.疲勞擴(kuò)展門檻值ΔKth

當(dāng)ΔK≤ΔKthda/dN=0因此ΔKth疲勞裂紋不擴(kuò)展的ΔK的臨界值，稱為疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值裂紋不疲勞斷裂（無限壽命）的校核公式：

無限疲勞壽命的承載能力：2.疲勞擴(kuò)展門檻值ΔKth金屬材料疲勞裂紋擴(kuò)展速率

試驗方法在室溫及大氣環(huán)境條件下用標(biāo)準(zhǔn)緊湊拉伸C(T)試樣(以下簡稱C(T)試樣)、標(biāo)準(zhǔn)中心裂紋拉伸M(T)試樣(以下簡稱M(T)試樣)、標(biāo)準(zhǔn)單邊缺口三點彎曲SE(B)試樣(以下簡稱SE(B)試樣)測定金屬材料大于10-5mm/cycle的恒力幅疲勞裂紋擴(kuò)展速率;測定小于10-8mm/cycle的低速疲勞裂紋擴(kuò)展速率和疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值ΔKth:金屬材料疲勞裂紋擴(kuò)展速率

試驗方法在室溫一、試樣形狀及尺寸一、試樣形狀及尺寸標(biāo)準(zhǔn)M(T)試樣.試樣工作長度應(yīng)滿足如下要求：

拉——拉加力:試樣寬度W小于或等于75mm時.采用單銷加力，加力孔之間的距離應(yīng)大I或等于3W;特殊幾何形狀M(T)試樣的W大于75mm時，采用多排螺栓夾緊.，采用多排螺栓夾緊.試樣兩端最里面一排螺釘孔間的距離應(yīng)大于或等于1.7W

拉——壓加力:采用夾板夾緊.夾板內(nèi)邊緣之間的距離L應(yīng)大于或等于1.2W

標(biāo)準(zhǔn)SE(B)試樣，如圖3所示，跨距S取4W標(biāo)準(zhǔn)M(T)試樣.試樣工作長度應(yīng)滿足如下要求：試樣厚度

對于C(T)試樣，推薦試樣厚度的范圍如下:W/20≤B≤W/4

式中W大于或等于25mm對于M(T)試樣，推薦的試樣厚度上限為W/8,所必要的最小厚度要能避免屬曲屈.彎曲應(yīng)變不超過名義應(yīng)變的5%。對于SE(B)試樣，推薦試樣厚度的范圍為:0.2W≤B≤W試樣厚度對于C(T)試樣，推薦試樣厚度的范圍如下金屬疲勞試驗?zāi)康暮脱芯糠椒ㄕn件金屬疲勞試驗?zāi)康暮脱芯糠椒ㄕn件七、低周疲勞（一）特點：

1.高應(yīng)力及產(chǎn)生宏觀塑性變形

2.不能用S-N曲線描述而要用Δεt—N曲線描述材料的疲勞規(guī)律。

3.低周疲勞破壞有幾個裂紋源

4.低周疲勞壽命決定于塑性應(yīng)變幅。（二）金屬循環(huán)硬化與循環(huán)軟化七、低周疲勞預(yù)制疲勞裂紋長度的要求如下:

a.）在前后表面上從切口頂端到疲勞裂紋尖端測量裂紋長度〔M(T)試樣前后表面均要測左右兩個裂紋長度〕。測量應(yīng)準(zhǔn)確到士0.1mm或士0.002W中較大者;所測各個裂紋長度均應(yīng)大于0.1B和切口寬度h(見圖5)，但不得小于1mm(W>127mm的試樣，測量裂紋長度應(yīng)準(zhǔn)確到0.25mm以內(nèi));b.）若前后表面裂紋長度測量值之差超過0.25B或左右兩側(cè)裂紋長度測量值之差(取前后表面的算術(shù)平均值)超過0.025W,則預(yù)制裂紋無效。預(yù)制疲勞裂紋長度的要求如下:

a.）在前后表面上從切口頂端到金屬疲勞試驗?zāi)康暮脱芯糠椒ㄕn件驗證是否滿足判據(jù)驗證是否滿足判據(jù)典型試驗案例典型試驗案例（d）（c）