金屬疲勞試驗(yàn)?zāi)康暮脱芯糠椒ㄕn件

金屬疲勞試驗(yàn)?zāi)康暮脱芯糠椒?/p>

金屬疲勞試驗(yàn)?zāi)康暮脱芯糠椒?/p>

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?.了解金屬軸向疲勞測(cè)試方法、斷裂韌性Kic測(cè)試方法及裂紋擴(kuò)展速率DA/DN測(cè)試方法。2.了解疲勞試驗(yàn)機(jī)工作原理一、實(shí)驗(yàn)?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(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(shí)捷齒輪928保時(shí)捷齒輪曲軸斷裂齒輪斷裂曲軸斷裂齒輪斷裂自行車(chē)曲柄蜘蛛臂疲勞裂紋源自行車(chē)曲柄蜘蛛臂疲勞裂紋源

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(guò)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(zhuān)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(guó)西南航空公司一一、引言工程材料對(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(kāi)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(wèn)題進(jìn)行研究。一、引言工程材料對(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)二、疲勞損傷過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)程2.1滑移帶開(kāi)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(huì)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(cuò)的塞積和交割作用，會(huì)在滑移帶處形成微裂紋。

2、疲勞裂紋萌生過(guò)程2.1滑移帶開(kāi)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(gè)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(kāi)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(kāi)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(cuò)在某一晶粒內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)受到晶界的阻礙作用，在晶界處發(fā)生位錯(cuò)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(shí)，應(yīng)力峰越來(lái)越高，當(dāng)超過(guò)晶界強(qiáng)度時(shí)就會(huì)在晶界處產(chǎn)生裂紋。

夾雜晶界2.2相界面開(kāi)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(gè)階段，第一階段時(shí)從個(gè)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(shí)，如果微裂紋擴(kuò)展到一些相鄰的晶粒顆粒時(shí)，由于鄰近晶粒的存在對(duì)滑位移的約束，擴(kuò)展過(guò)程中多數(shù)微裂紋成為不擴(kuò)展裂紋。只有個(gè)別微裂紋會(huì)擴(kuò)展為2—5個(gè)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(guò)、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(guò)、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(xiàn)彈性條件下的金屬斷裂韌度張開(kāi)型（I型）滑開(kāi)型（II型）撕開(kāi)型（III型）金屬的斷裂韌度1.裂紋擴(kuò)展的基本形式：一.線(xiàn)彈性條件下的金屬斷裂韌度張開(kāi)型2.彈性應(yīng)力場(chǎng)方程的推導(dǎo)

假設(shè)有無(wú)限大板，其中有2a長(zhǎng)的I型裂紋，在無(wú)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)2.彈性應(yīng)力場(chǎng)方程的推導(dǎo)

假設(shè)有無(wú)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(chǎng)的大小，KI

可以表示應(yīng)力場(chǎng)的強(qiáng)弱程度故稱(chēng)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)θ=0則：式中KI值的大小直接影響應(yīng)力半無(wú)限邊緣缺口試樣有限寬度的中心開(kāi)裂紋試樣有限寬度的邊緣缺口試樣半無(wú)限寬邊緣缺口試樣有限寬度的中心開(kāi)裂紋試樣f(a/W)半無(wú)限邊緣缺口試樣半無(wú)限寬邊緣缺口試樣有限寬度的中心開(kāi)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(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(mǎn)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(chēng)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(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高強(qiáng)度馬氏體時(shí)效鋼不同試樣厚度的KC變化條件：Kc=KI4.斷裂韌度試驗(yàn)4.斷裂韌度試驗(yàn)疲勞試驗(yàn)機(jī)工作原理圖疲勞試驗(yàn)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(yàn)典型載荷位移曲線(xiàn)分析：-作一條偏移5

%的直線(xiàn)（OA斜率的95％相當(dāng)于至裂紋擴(kuò)展2％）

-Ps:偏移5%直線(xiàn)與P-v曲線(xiàn)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(mǎn)足要求,即則檢查裂紋前端是否是基本對(duì)稱(chēng)的,對(duì)稱(chēng)的則KQ=KIC(有效測(cè)試)

試樣與COD規(guī)的連接KIC試驗(yàn)典型載荷位移曲線(xiàn)分析：金屬的疲勞一、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(wú)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(jiàn)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金屬的疲勞一、變動(dòng)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(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)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(gè)斷裂過(guò)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(guò)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(gè)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(diǎn)：光亮而平滑疲勞區(qū)特點(diǎn)：斷口光滑并分布有貝紋線(xiàn)，有時(shí)還有裂紋擴(kuò)展臺(tái)階貝紋線(xiàn)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(xiàn)較密，遠(yuǎn)則疏。瞬斷區(qū)特點(diǎn)：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(yàn)?zāi)康暮脱芯糠椒ㄕn件四.疲勞S-N曲線(xiàn)四.疲勞S-N曲線(xiàn)

由于疲勞試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)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(cè)定每個(gè)試樣的疲勞壽命，然后用概論統(tǒng)計(jì)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(xiàn)，稱(chēng)為P-S-N曲線(xiàn)。由于疲勞試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)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(mén)檻值

1.疲勞裂紋擴(kuò)展曲線(xiàn)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。

六、疲勞裂紋擴(kuò)展及疲勞門(mén)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(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)。2.疲勞擴(kuò)展門(mén)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(chēng)為疲勞裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值裂紋不疲勞斷裂（無(wú)限壽命）的校核公式：

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

試驗(yàn)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(jiǎn)稱(chēng)C(T)試樣)、標(biāo)準(zhǔn)中心裂紋拉伸M(T)試樣(以下簡(jiǎn)稱(chēng)M(T)試樣)、標(biāo)準(zhǔn)單邊缺口三點(diǎn)彎曲SE(B)試樣(以下簡(jiǎn)稱(chēng)SE(B)試樣)測(cè)定金屬材料大于10-5mm/cycle的恒力幅疲勞裂紋擴(kuò)展速率;測(cè)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(mén)檻值ΔKth:金屬材料疲勞裂紋擴(kuò)展速率

試驗(yàn)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(zhǎng)度應(yīng)滿(mǎn)足如下要求：

拉——拉加力:試樣寬度W小于或等于75mm時(shí).采用單銷(xiāo)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(shí)，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(zhǎng)度應(yīng)滿(mǎn)足如下要求：試樣厚度

對(duì)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(duì)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(guò)名義應(yīng)變的5%。對(duì)于SE(B)試樣，推薦試樣厚度的范圍為:0.2W≤B≤W試樣厚度對(duì)于C(T)試樣，推薦試樣厚度的范圍如下金屬疲勞試驗(yàn)?zāi)康暮脱芯糠椒ㄕn件金屬疲勞試驗(yàn)?zāi)康暮脱芯糠椒ㄕn件七、低周疲勞（一）特點(diǎn)：

1.高應(yīng)力及產(chǎn)生宏觀塑性變形

2.不能用S-N曲線(xiàn)描述而要用Δεt—N曲線(xiàn)描述材料的疲勞規(guī)律。

3.低周疲勞破壞有幾個(gè)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(zhǎng)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(cè)量裂紋長(zhǎng)度〔M(T)試樣前后表面均要測(cè)左右兩個(gè)裂紋長(zhǎng)度〕。測(cè)量應(yīng)準(zhǔn)確到士0.1mm或士0.002W中較大者;所測(cè)各個(gè)裂紋長(zhǎng)度均應(yīng)大于0.1B和切口寬度h(見(jiàn)圖5)，但不得小于1mm(W>127mm的試樣，測(cè)量裂紋長(zhǎng)度應(yīng)準(zhǔn)確到0.25mm以?xún)?nèi));b.）若前后表面裂紋長(zhǎng)度測(cè)量值之差超過(guò)0.25B或左右兩側(cè)裂紋長(zhǎng)度測(cè)量值之差(取前后表面的算術(shù)平均值)超過(guò)0.025W,則預(yù)制裂紋無(wú)效。預(yù)制疲勞裂紋長(zhǎng)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(yàn)?zāi)康暮脱芯糠椒ㄕn件驗(yàn)證是否滿(mǎn)足判據(jù)驗(yàn)證是否滿(mǎn)足判據(jù)典型試驗(yàn)案例典型試驗(yàn)案例（d）（c）