疲勞裂紋的預制

1、疲勞裂紋的預制1 實驗目的為測定金屬材料的平面應變斷裂韌度KIC而預制疲勞裂紋2 儀器及設備1、程控高頻疲勞機2、鏡式引伸儀3、高度尺4、平臺 3 實驗原理 90º120º 60º a0 afAf a 由于線彈性斷裂力學所研究的對象是尖銳裂紋，所以，測定KIC所用試件的裂紋尖端必須是尖銳的，這種尖銳裂紋常利用疲勞試驗的方法加以制作。通常的做法是先用機械加工方法或電火花方法加工出一引發(fā)缺口，然后在疲勞試驗機上加交變循環(huán)載荷預制出疲勞裂紋。因此，試件的裂紋由引發(fā)缺口和疲勞裂紋兩部分組成，裂紋長度a就等于引發(fā)缺口長度a0與疲勞裂紋長度af之和（如圖71所示），裂紋長度a

2、應在0.45W0.55W(W為試件的高度)之間。為避免引發(fā)缺口根部附近材料狀態(tài)的變化對裂紋尖端附近材料性質的影響，制作出合格的裂紋，要求引發(fā)缺口長度要比疲勞裂紋長度大，通常在 af 0.05a 與 af 1.3mm 中選較大值為疲勞裂紋長度。圖71 裂紋結構示意圖 圖72 山形切口示意圖 疲勞裂紋引發(fā)缺口共有四種形式：直通型缺口、山形缺口（如圖72所示）、末端為圓孔的缺口以及鉬絲切割的缺口。為保證順利地預制出合格的疲勞裂紋，切口根部半徑應足夠小。其中，山形切口的根部半徑0.25mm,其余切口的根部半徑0.08 mm。 三點彎曲疲勞試樣及實驗裝置如圖73所示。4 試樣形狀和尺寸試件形狀 凡是具有

3、KI標定表達式且便于測試的試樣，都可以用來測定KIC。GB41611984國家標準規(guī)定了四種標準試樣：三點彎曲試樣、緊湊拉伸試樣、C型拉伸試樣，以及圓形緊湊拉伸試樣。三點彎曲試樣具有容易加工和便于加載的優(yōu)點，平面應變斷裂韌度KIC的測定常采用三點彎曲試樣，它的簡圖如圖73所示。 圖73 三點彎曲疲勞試樣及實驗裝置試樣尺寸大量試驗結果表明，一般情況下，材料的臨界應力強度因子KIC與試樣厚度B，裂紋長度a和韌帶寬度（Wa）均有關。只有當試樣尺寸滿足平面應變和小范圍屈服的力學條件時，才能獲得穩(wěn)定的KIC值。為此要求 式中，B是由平面應變條件對厚度的要求，a 和（Wa）是小范圍屈服條件對裂紋長度和韌帶

4、寬度的要求,為屈服極限或名義屈服極限。因為材料的或是已知的，故只要估計一個KIC值就可確定試樣的厚度B。若KIC值難以估計，可按GB4161-84所推薦的數據，按來選擇B。厚度B確定后，標準試樣的高度W和跨度S的尺寸按以下比例確定，即BWS128試樣總長L要稍大于S，可取L4.1W。5 載荷的確定交變載荷Pf 為防止在疲勞裂紋尖端形成過大的塑性區(qū)而使裂紋尖端鈍化，必須對預制疲勞裂紋時所施加的交變載荷的最大值加以限制。通常規(guī)定交變載荷的最大值在裂紋尖端產生的應力強度因子Kfmax不得大于0.60.7KIC,這一要求只在后一半疲勞裂紋的預制過程中得到滿足即可，為了使裂紋及早形成，開始時可以施加較大

5、的載荷。應該注意的是，在按上述要求估算預制疲勞裂紋所加交變載荷的最大值時，不能采用選擇B時所取的KIC估計值，而要取一個偏低的值。 取預制疲勞裂紋所加交變載荷的應力比R0.1（R=Pfmin / Pfmax）,按下述方法估算預制后一半疲勞裂紋所施加的交變載荷：選定KIC估計值，按Kfmax 0.60.7KIC計算Kfmax，再將Kfmax和a/W=0.5代入試件的KI計算公式計算出對應的P,即為所加交變載荷的最大值Pfmax，而交變載荷的最小值則為Pfmin 0.1Pfmax。靜載荷Pl和動載荷Pa 靜載荷Pl和動載荷Pa可分別按以下兩式確定PlPfmin0.5×(Pfmax -Pf

6、min)Pa0.5×(Pfmax -Pfmin)6 實驗步驟1、試樣外形尺寸的測量。試驗前用卡尺在裂紋前緣韌帶部分測量試件厚度B三次，測量精度精確到0.1%B 或0.025mm，取其較大者，計算平均值。在切口附近測量試樣寬度三次，測量精度精確到0.1%W或0.025mm，取其較大者，計算平均值。測出機制裂紋長度a0；2、在平臺上，用高度尺對試樣劃三條水平平行線，第一根以a0的端點為切線，然后每隔1mm劃一根線；3、裝好試樣，調好跨度S，使機械切口對準S/2處；4、按高頻疲勞機操作步驟加靜載荷Pl；5、啟動動載荷部分，選好共振頻率，5分鐘后按疲勞機動載控制部分操作規(guī)定加動載荷Pa；6、調好鏡式引伸儀，使觀察機制裂紋及端點劃線清晰為好，仔細觀察疲勞裂紋的形成。當主裂紋形成后，減小10Pa；當疲勞裂紋擴展到1.5mm處時，立即關閉振動開關、動載開關，然后卸掉靜載荷，取下試樣。7 實驗結果的處理 取下試樣后，認真測量表面疲勞裂紋長度af，滿足要求就準備在試樣上粘貼刀口，準備下一步測KIC的工作。8 注意事項1、在預制裂紋過程中，操作者不